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C O N E L V I E N T O A FAVO R • W I T H A FA I R W I N D

fundacion

Even today not everyone realises that wind energy, which at the onset was green but costly, is still green but with time has become a tremendously competitive source of electric power. Much of the ‘blame’ for that transformation lies with the technological improvements introduced in turbines and other components. Thanks to those advances, in many of the wind farms we see from time to time from the car or train, each and every one of the machines produces enough power to cover the entire demand generated by two thousand households. Such a significant output has made wind one of the most reliable alternatives to perishable fossil fuels. The book you hold in your hands takes a look at this, today’s and tomorrow’s energy, from a number of vantage points. Some are surprising, not to say unprecedented, while others are much more rigorous and scientific, but all share a common denominator: a focus on one of the sources of energy that will ensure our planet’s ongoing habitability and make it an ever better world.

esteyco

CON EL VIENTO A FAVOR

W I T H A FA I R W I N D

RAMÓN LÓPEZ MENDIZABAL CONSUELO ALONSO· ALBERTO CEÑA· MIGUEL ÁNGEL FERNÁNDEZ· JAUME MASCARÓ FRANCESCO MICELI· JOAN MORENO· JORDI MORELLÓ· JAVIER MUÑOZ MIGUEL NÚÑEZ· MANFRED PETERSEN· JUAN CARLOS ROSA· JAVIER RUI-WAMBA MIGUEL ÁNGEL RUIZ· RAMÓN SAGARRA· DAVID SARRASÍN· JOSE SERNA

No todo el mundo al día de hoy tiene la percepción de que la energía eólica, que en sus orígenes se trataba de una energía verde aunque cara, se ha ido transformando paulatinamente en una energía que se mantiene todavía verde, pero que además genera electricidad a un precio tremendamente competitivo. Buena culpa de esta transformación la tienen las mejoras tecnológicas que se han ido introduciendo en las turbinas y resto de componentes, que han conseguido que muchas de las máquinas eólicas que con cierta frecuencia dejamos a nuestro lado cuando circulamos por las carreteras o líneas férreas, sean capaces de generar, cada una de ellas, la totalidad de la energía que utilizan dos mil hogares, constituyendo al día de hoy una de las alternativas más fiables al uso de los perecederos combustibles fósiles. El texto entre sus manos propone una mirada desde muy distintos puntos de vista a esta energía del presente y del futuro. Algunos de ellos sorprendentes, si no inéditos; otros mucho más rigurosos y científicos; pero todos ellos con el denominador común de aproximarse a una de las energías que hará que éste, nuestro mundo, continúe siendo un lugar habitable y cada vez mejor.

RAMÓN LÓPEZ MENDIZABAL

RAMÓN LÓPEZ MENDIZABAL

Book cover image: © Photographer Cristian Steiness • ict-aeolus.eu

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Imagen portada: © Photographer Cristian Steiness • ict-aeolus.eu


C O N E L V I E N T O A FAVO R • W I T H A FA I R W I N D

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Even today not everyone realises that wind energy, which at the onset was green but costly, is still green but with time has become a tremendously competitive source of electric power. Much of the ‘blame’ for that transformation lies with the technological improvements introduced in turbines and other components. Thanks to those advances, in many of the wind farms we see from time to time from the car or train, each and every one of the machines produces enough power to cover the entire demand generated by two thousand households. Such a significant output has made wind one of the most reliable alternatives to perishable fossil fuels. The book you hold in your hands takes a look at this, today’s and tomorrow’s energy, from a number of vantage points. Some are surprising, not to say unprecedented, while others are much more rigorous and scientific, but all share a common denominator: a focus on one of the sources of energy that will ensure our planet’s ongoing habitability and make it an ever better world.

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CON EL VIENTO A FAVOR

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RAMÓN LÓPEZ MENDIZABAL CONSUELO ALONSO· ALBERTO CEÑA· MIGUEL ÁNGEL FERNÁNDEZ· JAUME MASCARÓ FRANCESCO MICELI· JOAN MORENO· JORDI MORELLÓ· JAVIER MUÑOZ MIGUEL NÚÑEZ· MANFRED PETERSEN· JUAN CARLOS ROSA· JAVIER RUI-WAMBA MIGUEL ÁNGEL RUIZ· RAMÓN SAGARRA· DAVID SARRASÍN· JOSE SERNA

No todo el mundo al día de hoy tiene la percepción de que la energía eólica, que en sus orígenes se trataba de una energía verde aunque cara, se ha ido transformando paulatinamente en una energía que se mantiene todavía verde, pero que además genera electricidad a un precio tremendamente competitivo. Buena culpa de esta transformación la tienen las mejoras tecnológicas que se han ido introduciendo en las turbinas y resto de componentes, que han conseguido que muchas de las máquinas eólicas que con cierta frecuencia dejamos a nuestro lado cuando circulamos por las carreteras o líneas férreas, sean capaces de generar, cada una de ellas, la totalidad de la energía que utilizan dos mil hogares, constituyendo al día de hoy una de las alternativas más fiables al uso de los perecederos combustibles fósiles. El texto entre sus manos propone una mirada desde muy distintos puntos de vista a esta energía del presente y del futuro. Algunos de ellos sorprendentes, si no inéditos; otros mucho más rigurosos y científicos; pero todos ellos con el denominador común de aproximarse a una de las energías que hará que éste, nuestro mundo, continúe siendo un lugar habitable y cada vez mejor.

RAMÓN LÓPEZ MENDIZABAL

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Para la difusi贸n y el progreso de la Ingenier铆a y la Arquitectura For the visibility and progress of engineering and architecture


En mayo de 1991 se constituyó la Fundación Esteyco con la finalidad de contribuir al progreso de la ingeniería y de la arquitectura en nuestro país. La situación de precariedad e incertidumbre en que se ha estado desenvolviendo la ingeniería española independiente, ha exigido hasta ahora actitudes básicamente de supervivencia. El esfuerzo de un creciente colectivo de profesionales y de órganos de la Administración ha ido, sin embargo, consolidando un sector cuyos servicios son considerados indispensables en una sociedad moderna y eficiente. Es tiempo de pensar en el futuro, confiando en que no tardará en hacerse presente. Fomentemos, para ello, un clima propicio para la creatividad, en el que se exija y se valore el trabajo bien hecho. Contribuyamos a una sólida formación de los profesionales de la ingeniería, conscientes de que las organizaciones valen lo que valen sus miembros y de que en la ingeniería el valor de las personasse mide por el nivel de sus conocimientos. Alentemos mejores y más frecuentes colaboraciones interprofesionales, eliminando fronteras innecesarias. Reivindiquemos un espacio cualitativamente destacado de la ingeniería en la sociedad e impulsemos la evolución de la imperante cultura del hacer hacia la cultura del hacer pensando. Consideremos las ingenierías como una prolongación de la Universidad, en la que se consolida la formación de los jóvenes titulados, en los años que serán decisivos para su futuro. Sintámonos involucrados con la Universidad y centros de investigación. Aseguremos la estabilidad y pervivencia de nuestras organizaciones y establezcamos los medios para que su vitalidad, garantía de futuro, no se encuentre lastrada. Valoremos nuestra independencia, no como un arma contra nadie, sino fundamentalmente como un atributo intelectual inherente a quienes tienen por oficio pensar, informar y decidir libremente.

J avier R ui -W amba M artija Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Presidente de la Fundación Esteyco


Fundaci贸n Esteyco was founded in May 1991 to contribute to engineering and architectural progress in Spain. The precarious and uncertain situation in which independent engineering has been practised in the country to date has required professionals to adopt essentially survival tactics. The efforts of a growing number of those professionals, with the support of governmental bodies, has nonetheless consolidated an activity whose services are imperative to a modern and efficient society. The time has come to think about the future, trusting that it will soon be upon us. Let us foster an atmosphere where creativity can thrive, where good work is both expected and appreciated. Let us contribute to sound training in engineering, in the awareness that the value of an organisation lies in the value of its members and that in engineering, individual merit is measured in terms of expertise. Let us encourage better and more frequent inter-professional partnering, eliminating unnecessary boundaries. Let us claim a place of distinction for engineering in society, re-steering the prevalent get-the-job-done culture to a get-the-job-done right culture. Let us regard engineering as an extension of the university, where young graduates consolidate their training in years that will be decisive for their future. Let us become involved in the university and research institutes. Let us ensure the stability and survival of our organisations, and provide the means to maintain their vitality, our guarantee for the future. Let us value our independence, not as a weapon to be wielded against anyone, but essentially as an intellectual trait in people whose job is to think, inform and decide freely.

J avier R ui -W amba M artija Civil Engineer President of Fundaci贸n Esteyco


CON EL VIENTO A FAVOR • WITH A FA I R W I N D

RAMÓN LÓPEZ MENDIZABAL CONSUELO ALONSO · ALBERTO CEÑA · MIGUEL ÁNGEL FERNÁNDEZ · JAUME MASCARÓ JAVIER MUÑOZ · FRANCESCO MICELI · JOAN MORENO · JORDI MORELLÓ MIGUEL NÚÑEZ · MANFRED PETERSEN · JUAN CARLOS ROSA · MIGUEL ÁNGEL RUIZ JAVIER RUI-WAMBA · RAMÓN SAGARRA · DAVID SARRASÍN · JOSE SERNA


© 2015 Fundación ESTEYCO © 2015 Autores: Ramón López, Consuelo Alonso, Alberto Ceña, Miguel Ángel Fernández, Jaume Mascaró, Francesco Miceli, Javier Muñoz, Joan Moreno, Jordi Morelló, Miguel Núñez, Manfred Petersen, Juan Carlos Rosa, Miguel Ángel Ruiz, Javier Rui-Wamba, Ramón Sagarra, David Sarrasín, José Serna © Traducción al inglés: Margaret Clark © 2015 Dibujos: Jordi Morelló Diseño Gráfico: Pilar Carrizosa Coordinación Editorial: Pilar Carrizosa Focomposición, fotomecánica e impresión: Gràfiques Bassó Impreso en España ISBN-13: 978-84-943324-2-5 Depósito Legal: M-38375-2015 1ª Edición. Diciembre

© 2015 Fundación ESTEYCO © 2015 Authors: Ramón López, Consuelo Alonso, Alberto Ceña, Miguel Ángel Fernández, Jaume Mascaró, Francesco Miceli, Javier Muñoz, Joan Moreno, Jordi Morelló, Miguel Núñez, Manfred Petersen, Juan Carlos Rosa, Miguel Ángel Ruiz, Javier Rui-Wamba, Ramón Sagarra, David Sarrasín, José Serna © English translation: Margaret Clark © 2015 Drawings: Jordi Morelló Graphic design: Pilar Carrizosa Editors: Pilar Carrizosa & Ramón López Mendizabal Phocomposition, phototypeset and printing: Gràfiques Bassó Printed in Spain ISBN-13: 978-84-943324-2-5 Deposit Record: M-38375-2015 1st edition. December 2015


ÍNDICE

JAVIER RUI-WAMBA RAMÓN LÓPEZ MENDIZABAL

JAUME MASCARÓ JOAN MORENO • JORDI MORELLÓ

CONTENTS

PRÓLOGO • PROLOGUE

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INTRODUCCIÓN • INTRODUCTION

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CON EL VIENTO A FAVOR • WITH A FAIR WIND

27

I.

EL ALIENTO DE LOS DIOSES • DIVINE BREATH

27

II.

EL VIENTO, EL PAISAJE Y EL HOMBRE • WIND, LANDSCAPE, HUMANITY

47

JAVIER MUÑOZ

III. LOS AIRES Y LAS LETRAS • AIRS AND LETTERS

75

RAMÓN LÓPEZ

IV.

UN SOPLO DE HISTORIA • HISTORY IN A WHIRL

87

ALBERTO CEÑA

V.

EL PANORAMA ENERGÉTICO ACTUAL Y LA IMPORTANCIA DE LA EÓLICA • ENERGY TODAY AND THE ROLE OF WIND

DAVID SARRASÍN

VI. UN MUNDO MEJOR • A BETTER WORLD

107 123

CONSUELO ALONSO

VII. CONCEPTOS BÁSICOS DE METEREOLOGÍA • FUNDAMENTALS OF METEOROLOGY

145

CONSUELO ALONSO

VIII. CARACTERIZACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO • CHARACTERISATION OF WIND POTENTIAL

159

CONSUELO ALONSO

IX. RECURSO EÓLICO • WIND RESOURCE: MEASUREMENT AND DATA PROCESSING

173

X.

191

MIGUEL NÚÑEZ JUAN CARLOS ROSA MANFRED PETERSEN FRANCESCO MICELI MIGUEL ÁNGEL RUIZ • RAMÓN SAGARRA JOSÉ SERNA MIGUEL ÁNGEL FERNÁNDEZ

COMPONENTES DE LAS TURBINAS Y PARQUES EÓLICOS ACTUALES • COMPONENTS OF TODAY’S WIND TURBINES AND FARMS

X.I. AEROGENERADORES • WIND TURBINES

191

X.II. TORRE • TOWER

209

X.III. CIMENTACIONES • FOUNDATIONS

231

X.IV. OBRA CIVIL DE LOS PARQUES EÓLICOS • CIVIL WORKS IN WIND FARMS

251

X.V. DE LAS RACHAS AL AMPERIO • FROM GUST TO AMPERE

267

XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA • OFF-SHORE WIND ENERGY

299

EPÍLOGO

357

EPILOGUE

RESEÑAS BIOGRÁFICAS • BIOGRAPHICAL SKETCHES

360


10


PRÓLOGO • PROLOGUE JAVIER RUI-WAMBA MARTIJA

El viento ha existido siempre aunque sólo en tiempos recientes, en las últimas décadas, se le ha podido conocer bien, sin acabar de conocerlo del todo. Algunos lo consideran la respiración de Dios. Impredecible, por tanto. ¿Quién puede adivinar los aleatorios designios divinos? Otros, han tratado, y logrado en buena medida, desvelar y cuantificar en términos probabilísticos su comportamiento. Lo cierto es que el viento, que nace de sutiles diferencias de temperatura entre las masas de aire que ocupan la atmósfera terrestre, y es, por tanto, consecuencia de la presencia omnímoda del Sol, es esencial para la vida. Porque los seres humanos, y los animales, no respiramos aire, respiramos viento que es el aire en movimiento. El progreso de la humanidad ha estado siempre relacionado con la utilización del viento como fuente de energía: las embarcaciones de vela son un ejemplo de ello. Los antiquísimos molinos de viento, que se han hecho paisaje en tantas geografías, también lo son. Las aves hacen del aire viento para poder volar. Y los aviones que parecen más peces que aves (como ocurre también con los trenes del AVE) ajustan las geometrías de sus alas para provocar empujes ascensionales que les permitan despegar y flotar en el aire. Sus motores también transforman el aire en viento para que así pueda ser. Y con el carenado de sus fuselajes pretenden reducir al mínimo el freno que, al tiempo, impone el viento a sus vertiginosos desplazamientos. Los imponentes y frágiles coches de la fórmula 1, las sofisticadas motos de las competiciones deportivas e incluso las bicicletas y los equipamientos de los ciclistas son manifestación de la influencia determinante del viento en sus diseños. Y en tiempos muy recientes tenemos los parques eólicos, onshore

Wind there has always been but only recently, in the last few decades, have we begun to understand it, at least partially. Some regard it to be the breath of God and hence unpredictable: who can prophesy divinity’s unlikely designs? Others, however, have tried and, by and large successfully, have forecasted and probabilistically quantified the wind’s behaviour. The fact is that wind, the outcome of subtle temperature differences in the masses of air comprising the Earth’s atmosphere and therefore ultimately of the sun’s omnipresence, is essential for life. Neither humans nor animals breathe air: we breathe wind, which is air in motion. Human progress has always been related to the use of wind as a source of energy. Sailboats are one paradigmatic example and the multi-centenary windmills that blend harmoniously into the landscape in so many geographies, another. Birds flap the air into wind to be able to fly. Aeroplanes, in turn, which (like high-speed trains) look more like fish than birds, adjust the geometries of their wings to induce an upward thrust that lifts them off the ground and enables them to float in the air. Their engines convert air into wind to make that happen, while the cowling that comprises their bodies is designed to reduce the wind-induced drag that attempts to curb their astronomical speed. The shapes of impressive yet fragile Formula 1 cars, sophisticated competition motorbikes, bicycles and even cyclists’ gear are irrefutable exponents of the influence of the wind on their designs. And recent years have witnessed the advent of on- and offshore wind farms that draw energy from the wind to convert it into electricity. The wind is also a force of nature, however, from which human beings seek shelter, not always successfully. Now and 11


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

y offshore, que extraen la energía del viento y la convierten en electricidad. Pero el viento, también, es una fuerza de la naturaleza de la que los seres humanos se han de proteger, sin conseguirlo siempre. Periódicamente, tal vez con frecuencia creciente, tenemos noticias de desastres provocados por destructores huracanes, tifones, tornados y tempestades marinas. Porque también el oleaje tiene por causa el viento. El viento siempre ha estado muy presente en nuestras vidas. Y, con el paso del tiempo, lo hemos ido conociendo mejor. Y la historia de dicho conocimiento, la historia del viento, es parte sustantiva de la historia de la humanidad. Sin duda, la necesidad de comprender el viento recibió un decisivo impulso cuando los hermanos Wright, mecánicos de bicicletas, iniciaron la epopeya de la aviación, en el año 1903. Las previsiones meteorológicas, por las que de forma tan elemental se interesaban los agricultores y los navegantes, se fueron haciendo crecientemente imprescindibles. Era bien sabido que los vientos no soplan a velocidad constante. Si no fuese por sus ráfagas, las hojas de los árboles no se moverían, los pétalos de las flores tampoco. Los remolinos provocados en el polvo o en la arena de zonas áridas y los movimientos de la superficie del agua en un charco, en un embalse, o a orillas del mar, son asimismo manifestaciones bien palpables de la naturaleza del viento. Y era fácilmente observable que a la velocidad media del viento, que provoca el desplazamiento sostenido de las ramas de un árbol, se superpone un viento a rachas que explica los movimientos adicionales de sus hojas. O los de la ropa colgada para secar en las terrazas de las casas. O el ondear de banderas. Al alcance de nuestras miradas tenemos, pues, la confirmación de la naturaleza aleatoria de las ráfagas de viento que provocan efectos dinámicos. Aún antes de la invención de la aviación, los puentes y estructuras de acero asociados al prodigioso desarrollo decimonónico del ferrocarril, con esbelteces muy superiores a las tradicionales estructuras de mampostería que hasta entonces habían 12

again, perhaps more and more frequently, disaster strikes in the form of destructive hurricanes, typhoons, tornados or sea storms. And yes, waves too are children of the wind. Wind has been a constant presence in our lives. And with time, we’ve come to understand it better. The history of that understanding, the history of wind, constitutes a substantive chapter in the history of humanity. The need to understand the wind was conclusively fuelled in 1903 when the Wright brothers, bicycle mechanics, introduced humanity to aviation. Weather forecasts, of such elementary interest to farmers and sailors, became increasingly indispensable. That the wind doesn’t blow at a constant speed has always been a well-known fact. If it weren’t for its gusts, neither the leaves on trees nor the petals on flowers would flutter. The swirls of dust or sand in arid regions and the ripples on the surface of puddles, reservoirs and the sea near the shoreline are very tangible expressions of the nature of the wind. While a steady wind at mean speed determines the sustained orientation of the branches of trees, it is to its visibly overlain gusts that we owe the rustling of leaves. And then there is the wash hung out to dry in yards and balconies and the waving of flags. In a nutshell, wherever we choose to look, we can find confirmation of the unpredictability of gusts of wind and their dynamic effects before our very eyes. Prior to the invention of aviation, the nineteenth-century steel bridges and structures (much more slender than the traditional rubble masonry structures that had largely monopolised former construction) associated with the prodigious development of railways were found to be sensitive to the wind. Late in that century Chicago, the windy city, began to see the earliest skyscrapers (thanks to Otis’s invention of the lift) which with their steel frames boasted higher slenderness ratios than the much lower-lying masonry buildings that preceded them. Bridge spans, building heights and structural slenderness have grown steadily ever since. Such developments made progress in the understanding of wind action even more indispensable.


PRÓLOGO

monopolizado, en buena medida, la construcción, podían ser sensibles al viento. A finales del siglo XIX, comenzaron a asomar por Chicago, la ciudad del viento, los primeros rascacielos con entramados de acero (gracias también a la invención por Otis del ascensor) y esbelteces también muy superiores a las de los edificios mucho más bajos de mampostería que los habían precedido. Desde entonces, las luces y esbelteces de los puentes así como la altura y esbeltez de las edificaciones, no han dejado de crecer. Y han hecho imprescindible el progreso en el conocimiento de la acción del viento. Aún más todavía por el hecho de que, esporádicamente, se produjeron accidentes en notables construcciones que tuvieron una gran notoriedad. En 1879 el puente de ferrocarril del Firth of Tay, en Escocia se derrumbó por efecto del viento. Lo que, por cierto, hirió el orgullo de la ingeniería británica hasta el punto que consideraron al mastodóntico puente en celosía del Firth of Forth –puente que años más tarde se construyó en su vecindad–, el más seguro del mundo. Aún antes de estos hechos, cuando los puentes colgantes iniciaron su andadura se observó su sensibilidad a las ráfagas de viento de velocidades moderadas. Pero, tal vez, el desastre más importante y más difundido fue el del puente colgante de Tacoma acabado de construir con una luz central de 853 m en el estado norteamericano de Washington en 1940. Aquel desastre, felizmente, impulsó la reflexión acerca de los efectos aerodinámicos en estructuras esbeltas y contribuyó a que en las concepciones de dichas estructuras y en su dimensionamiento tuviesen lugar destacado las acciones del viento y la respuesta estructural. Naturalmente en los años de entreguerras la aviación progresó a gran velocidad: los aviones evolucionaron rápidamente y volar empezó a dejar de ser privilegio de unos pocos. En los años 30 la estadística fue completando su cuerpo doctrinal. Los criterios probabilistas se extendieron en todas las ramas de las ciencias y no tardaron en asomarse, también, antes de instalarse definitivamente, en el campo de la ingeniería estructural. Fue posible caracterizar y analizar la aleatoriedad de muchos

PROLOGUE

That need was reinforced by notorious accidents involving prominent structures that occurred from time to time. In 1879 Firth of Tay, a railway bridge in Scotland, collapsed under the force of the wind. That, by the way, wounded the pride of British engineering so deeply that it led years later to the erection of the massive lattice bridge at nearby Firth of Forth, contended by its contemporaries to be the safest in the world. Even before those events, the first suspension bridges were observed to be sensitive to moderate gusts of wind. Perhaps the most catastrophic and widely publicised disaster was the collapse of Tacoma Narrows Bridge in the state of Washington in 1940, just months after completion of its 853 m central span. That event fortunately lent firm impetus to the study of aerodynamic effects on slender structures and helped to position wind action and structural response among the primary considerations in the design and dimensioning of such works. Progress in aviation logically continued full speed ahead in the inter-war period: aeroplanes evolved quickly and flying became the privilege of a tiny minority. In parallel, in the nineteen thirties statistical doctrine came of age. Probabilistic criteria expanded into all branches of science and, at first timidly but later enduringly, into structural engineering. The haphazard behaviour of many of the phenomena that form part of our everyday lives could at last be characterised and analysed: wind, earthquakes, thermodynamics and quantum physics. Advanced statistics furnished the tools needed and not previously available. Progress in electronics and communications was also decisive in this regard: random signals emissions could be converted and logged by wave receivers for subsequent extraction of the information recorded. After World War II came to an end, these advances gathered even greater speed, furthering the application of modern statistical methods to wind analysis. In 1961 engineer Alan G. Davenport published a pioneering text proposing the 13


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

fenómenos que formaban parte de nuestra vida diaria, entre ellos el viento, el sismo, la termodinámica y la física cuántica. La estadística avanzada proporcionó herramientas para hacerlo, de las que no se disponían antes. Fue, para ello decisivo el progreso de la electrónica y de las comunicaciones. Las señales, de naturaleza aleatoria, que se generaban en las fuentes, se transformaban en los receptores de ondas, y se podían registrar para extraer de los registros la información adecuada. Tras concluir la II Guerra Mundial, todos estos avances se aceleraron y estimularon la aplicación de los métodos estadísticos modernos al análisis del viento. El ingeniero Davenport publicó en 1961 un texto pionero en el que proponía una metodología basada en la estadística para caracterizar el viento, considerado como variable aleatoria, y permitía analizar los efectos que tenía sobre estructuras de muy diferentes tipologías. Se creó una escuela de pensamiento que utilizaba, por otro lado, los resultados de ensayos en túneles de viento, bien conocidos en la aeronáutica, no así en el análisis estructural. Del viento hemos recibido, también, el impulso que necesitamos para editar, en la Navidad del 2015, este libro dedicado a la energía eólica, que hace el número 24 de la colección que iniciamos en 1993 en la Fundación Esteyco y que también, en esta ocasión, llega puntualmente para despedir el año. Este libro, como todos los demás, tiene su historia y no ha visto la luz por causa del azar. Hace ya años, en una reunión que celebramos en Pamplona, Esteban Morrás, que a la sazón presidía Acciona Energía tras haber organizado EHN, Energía Hidroeléctrica de Navarra, apostó decididamente por nuestras torres de hormigón concebidas para llegar más alto y soportar aerogeneradores crecientemente potentes. Esteban, persona muy perspicaz, y de trato afable con el que da gusto tratar, había liderado la implantación y el desarrollo de las energías eólicas en Navarra, que fue referente para que apareciesen numerosas empresas del sector que convirtieron a España en uno de los países más avanzados en la genera14

application of statistical concepts to calculate the effects of the wind, one of the random variables in his model, on many types of structures. In another vein, a new school of thought advocated the use of wind tunnel tests, a technique formerly confined primarily to aeronautics, in structural analysis. Wind has also been the driving force behind the publication of this book on wind energy, the 24th in the collection initiated by Fundación Esteyco in 1993. Released at Christmastime in keeping with tradition, it comes to light just in time to bid the year 2015 farewell. Like all its predecessors, it has a history of its own and is not by any means the outcome of chance. Some years ago, in a meeting at Pamplona, Spain, Esteban Morrás, who at the time chaired Acciona Energía and had organised EHN, Energía Hidroeléctrica de Navarra, resolutely endorsed our concrete towers as the solution for very tall structures able to bear increasingly powerful wind turbines. Esteban, observant, amiable and with a knack for making any sort of dealings pleasurable, led the introduction and development of wind energy in the Spanish province of Navarre. His success spurred the appearance of many new companies whose efforts turned the country into a wind generation major worldwide. That now long distant meeting ultimately led, among many other things, to the publication of this book. Esteban is a key player in the history of wind energy in Spain. And his narrative of the industry’s short history is truly inspiring. He was soon joined by another essential actor, Francisco Galán Soraluce, who did us the honour of authoring the book released by the foundation in 2007. La energía de los fluidos [the energy of fluids] contains a chapter specifically on wind energy and a preface I dare recommend, despite having penned it myself, for it includes information about a wise, modest and persistent individual who has first-hand knowledge of the truly impressive developments that he and Esteban co-fostered.


PRÓLOGO

ción de las energías del viento. Aquel encuentro ya tan lejano, entre otras muchas cosas, nos ha acabado trayendo este libro. Esteban es parte importante de la historia de la energía eólica en nuestro país. Y escucharle relatar la joven historia del sector es realmente estimulante. Junto a él tuvo muy pronto a otro personaje esencial, Francisco Galán Soraluce, que ya nos deleitó con otro libro editado por la Fundación en 2007. La energía de los fluidos cuenta con un capítulo específico sobre la energía eólica y con un prólogo, que aun siendo mío, animo a leer o releer para aproximarse a un personaje sabio, sencillo y tenaz que también conoce, por haber sido protagonista junto a Esteban, de una historia que realmente impresiona. El creador de este libro, a quien se lo debemos, es Ramón López. Un gran ingeniero de caminos, canales y puertos, nacido en Madrid, ciudadano del mundo y con raíces vascongadas de las que él se siente orgulloso. Mendizabal es el apellido de su madre alavesa que nos regaló este ingeniero único (¡gracias Felisa!). Hace más de un lustro pudimos seducirle para que se viniese con nosotros. Un privilegio. Ramón gestiona desde entonces muchos de los proyectos y de las complejas obras que configuran parques eólicos en los que florecen muchas torres de acero, y todas las nuestras de hormigón, que estiran sus cuellos de jirafa para situar los aerogeneradores con sus asombrosas palas en alturas en las que la cosecha de energía del viento es más fructífera. Parques eólicos que se ubican en centenares de ubicaciones, lo que obliga a Ramón a viajar sin descanso. Este año, por ejemplo, habrá volado más de 300 000 km, el equivalente a más de ocho veces la vuelta al mundo (“el metro es la diezmillonésima parte del cuadrante del meridiano terrestre”), con paradas en muy diferentes países, donde pudieron verle saliendo a las primeras horas del alba del hotel en el que se alojaba para, antes de comenzar su trabajo, correr la hora y media que necesita para mantener la forma. Desde que está con nosotros ha corrido más de una decena de maratones y tres Ironman. El último el de Bydgoszcz, en su querida Polonia, donde consiguió una marca de 11 horas, 16 minutos y

PROLOGUE

The driving force behind this book, its creator, is Ramón López, eminent civil engineer born in Madrid, citizen of the world and the proud bearer of a Basque origin. His mother, to whom we owe this unique engineer (thank you, Felisa!) bears a Basque surname, Mendizabal. We managed to entice him to join our team well over 5 years ago. A privilege. Ever since, Ramón has overseen many of the designs and complex works involved in growing the steel towers that bloom in wind farms. At the same time, he has supervised the construction of our own concrete, giraffe-necked giants that position their powerful blades at the astounding heights where wind energy can be more profitably harnessed. As these wind farms are located at literally hundreds of sites, Ramón travels constantly. This year, for instance, he has certainly flown over 300 000 km, that is to say, eight times around the world (‘one metre is one ten-millionth of the length of the Earth’s meridian along a quadrant’), with stopovers in any number of countries. There he can be seen leaving his hotel at the crack of dawn to run for the hour and a half he needs to stay fit, before starting his working day. Since he’s been with us, he’s run around ten marathons and participated in three Ironman races, the most recent at Bydgoszcz in his beloved Poland, where he finished in 11 hours, 17 minutes and a few seconds. This year he has run around 3 000 km while not fleeing from anyone and swam another 200 km without turning into a fish. But he has also biked around 10 000 km (2.5 times entire distance mapped in the Tour de France) over demanding routes on his cherished Cannondale, a feat that has unquestionably helped him understand the wind. Ramón has me fascinated and positively green with envy because I personally believe that what underlies his sporting prowess is the adventuresome streak in his personality. Ramón loves adventure and to rise to challenges that he manages to make compatible with his professional obligations and personal life alongside his wife Ewa, who encourages him and with whom he shares a love for sport. We also have to thank Ewa for making the publication of this book possible. Thank you, Ewa! 15


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

unas decenas de segundos. Este mismo año habrá corrido, sin huir de nadie, unos 3 000 km, habrá nadado, sin convertirse en pez, unos 200 km más, y habrá recorrido con su adorada Cannondale unos 10 000 km, 2.5 Tours de Francia de trazado exigente, lo que sin duda le ha ayudado a comprender el viento. Ramón me tiene fascinado y medio muerto de envidia, porque, además, tengo para mí, que la faceta que explica sus afanes deportivos es la de aventurero. A Ramón le gusta la aventura y plantearse retos que consigue hacerlos compatibles con sus obligaciones profesionales y con su vida, junto a su mujer Ewa, que ciertamente le estimula y a la que él arrastra en sus aficiones deportivas. A Ewa también le tenemos que agradecer que la edición de este libro haya sido posible. ¡Gracias Ewa! Hace poco más de un año, Ramón nos propuso que este libro, el de la Navidad de 2015, lo dedicásemos a la energía eólica. Y claro no le costó convencernos a los compañeros que formamos en estas ocasiones el Comité Editorial, del interés de su propuesta. Nuestras torres de hormigón son cada vez más altas y cada vez más sofisticadas para poder ser crecientemente competitivas. A ellas dedicamos desde hace años una buena parte de nuestros anhelos profesionales, lo que nos ha permitido estar en contacto con otros profesionales de diferentes empresas y organizaciones que saben de lo que escriben. Ramón ha atraído a algunos de ellos para configurar un libro que tiene por hilo conductor y auténtico protagonista al viento. Este libro puede tener muchas lecturas. Leerlo, en todo o en parte, de un único tirón o demoradamente por capítulos, hará a quien lo lea más sabio porque le hará reflexionar y le permitirá comprender que muchas cosas están cambiando en el mundo. Que estamos en un momento en que, tal vez, el motor de explosión que hace 200 años tuvo por antecedente la máquina de vapor de Watt nacida en la Revolución Industrial inglesa, comienza a ceder el paso al motor eléctrico. La sociedad dependiente del petróleo y del carbón está cambiando: para bien y para siempre. La energía eléctrica se hace protagonista. Tesla, aquel excepcional ingeniero nacido en la efervescente 16

A little over a year ago Ramón suggested that the 2015 Christmas book should be devoted to wind energy. And of course it took very little to convince the rest of us on the editorial board of the merit in his proposal. Our concrete towers are growing taller, more sophisticated and increasingly competitive. For many years now, we have focused a considerable share of our professional energy on these structures, an endeavour that has led to our acquaintance with highly knowledgeable professionals in other companies and organisations. Ramón has persuaded some of them to contribute to a book whose leit motif and indisputable lead character is the wind. The book can be read in a number of ways: but whether all at once or by chapters, in whole or in part, it will make readers wiser by inducing them to reflection and affording an understanding of many of the things that are changing our world. We're living at a time when the combustion engine, preceded 200 years ago by that child of the British Industrial Revolution, Watt’s steam engine, may begin to give way to the electric motor. Our oil-dependent society is changing, for the better and forever. Electric power is taking over. Tesla, an exceptional engineer born in an (at the time) effervescent central Europe, is now regarded as a hero of his day. Renewable energies have begun to change the world for the better, making electric power accessible to the many human communities who have lived without it to date. Our world is changing rapidly and progress is now within reach of humanity at large. Esteyco’s onshore and coming-soon offshore wind towers will contribute to that accessibility. We feel that with the knowledge acquired, we’re pollinating many a field where the wind will soon be harvestable. This book of many readings affords a polyhedral vision of the resource, and contains as well key data on its authors. Our thanks to them all. Our appreciation also to Margaret Clark, whose English translation will help introduce the book to a wider audience.


PRÓLOGO

centroeuropa de entonces, es reivindicado ahora como un héroe de su tiempo. Las energías renovables comienzan a cambiar el mundo y lo hacen para bien. La electricidad se pone al alcance de tantos grupos humanos que han vivido sin acceso a la energía eléctrica. Rápidamente esto está cambiando. Y la posibilidad de progreso podrá llegar ahora a todos. Y nuestras torres eólicas, primero en tierra, y pronto en el mar también, contribuirán a que así sea. Sentimos que estamos polinizando, con los conocimientos que hemos adquirido, territorios muy diversos en los que se cosechará el viento.

PROLOGUE

For this is a book in a bottle launched into the ocean of life in the confidence that sooner or later it will reach the hands of the reader for whom it was intended. A book that should be fondled before its content travels from the eye to the brain to sense the aroma of winds harnessed in ever broader geographies the world over. To publish it, we’ve sailed with the same fair wind that we’ve had as associate for many years without making a single concession. Quite the contrary, actually.

Este libro tiene muchas lecturas y conforma una visión poliédrica que también es un esbozo de las biografías de quienes han contribuido a su edición. Gracias a todos. Gracias especiales a Margaret Clark, por su espléndida traducción al inglés que hará que el libro llegue a muchas más manos. Porque éste es un libro que lanzamos encerrado en una botella al océano de la vida y que, antes o después, acabará llegando a las del lector para el que se ha editado. Un libro que se ha de tocar primero antes de que su contenido llegue a través de la mirada a su cerebro que percibirá el perfume de vientos cosechados en geografías que van ocupando la superficie del globo terrestre. Para editarlo hemos navegado con el viento a favor, porque ya hace años nos asociamos con él sin renunciar a nada. Todo lo contrario.

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Parque e贸lico en Brasil 18

Wind farm in Brazil


INTRODUCCIÓN • INTRODUCTION RAMÓN LÓPEZ MENDIZABAL

¿Torres eólicas y sus cimentaciones?. ¿Y eso es todo? He de reconocer que, entre otras, éstas eran algunas de las preguntas que, atrevidamente, me vinieron a la cabeza la primera vez que Carlos, nuestro Director General, me habló de Esteyco Energía y la posibilidad de incorporación que a este proyecto me ofrecía… Han pasado más de cinco años desde entonces y todos hemos crecido mucho. Aquel desconfiado –sólo parcialmente, tampoco nos pasemos– ingeniero se ha rendido y ha acabado conquistado por este mundo eólico en el que, pocos meses más tarde de aquella conversación, se sumergió. La realidad es que lejos de lo que se me pasaba por la cabeza al hacer la pregunta con la que he iniciado este prólogo, el abanico de ámbitos que el sector energético en general y el eólico en particular alcanza, trasciende todo lo que pude imaginar en su día. Este libro, de hecho, pretende tocar –o quizás más bien acariciar suavamente, por el grado de profundidad al que aspira- muy distintos campos en los que el viento está, de una u otra manera, presente. Aunque no explícitamente, en la estructura del mismo subyacen una serie de bloques temáticos. Sin duda, algunos tendrán mayor interés que otros en función de cada lector, dependiendo de su formación e intereses, aunque sí espero que el texto resulte, en general, lo suficientemente divulgativo para que un lector técnico o no técnico –aunque eso sí, con interés en la materia– pueda disfrutar de una buena parte de este nuevo texto de la Fundación Esteyco. La publicación en la que ahora están fijados los ojos del lector, como se puede ver desde su portada, no se trata de una obra de un único autor. Para empezar, habría sido imposible, por mis limitados conocimientos; y además hubiera constituido

Wind turbines and their foundations? And that’s it? That I admit, among others, was one of the questions that ran recklessly through my mind the first time that Carlos, our General Manager, broached me about participating in the Esteyco Energía project. That was over 5 years ago now, and in the interim we’ve all done a lot of growing. That (slightly, we needn’t exaggerate) mistrustful engineer has since been seduced by and become fully enamoured of this world of wind-borne energy in which, just a few months after that conversation, he became immersed. The truth is that, contrary to what I thought when I posed my initial rhetorical question, energy in general and the wind industry in particular embrace a far wider spectrum of domains than I could have ever imagined. This book aims to touch on (or perhaps more precisely, gently caress, given the depth to which it aspires) many different realms in which wind is present in one way or another. Although not explicitly, its structure rests on a series of overarching themes. Some are certain to be more appealing than others to its readers, depending on their training and interests. I hope, however, that the text on the whole is understandable enough to make this, Fundación Esteyco’s new publication, a pleasurable read for people with an interest in the matter, whether or not they have a technical background. As you can see from the cover, the book you’re holding in your hands wasn’t written by a single author. To begin with, that would have been impossible for me alone, given my limited knowledge, and would have turned out to be one more in a fairly long list of reckless undertakings. One of 19


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

otro atrevimiento más que añadir a la lista. Una de las mejores cosas que este mundo eólico me ha dado ha sido sin duda la posibilidad de rodearme de personas, tanto compañeros como clientes, de muy elevada categoría en todos los aspectos. Haber aprendido lo que me han enseñado tanto unos como otros pertenece al ámbito de las cosas que realmente no tienen precio. Desde estas líneas mis agradecimientos más sinceros a todos. El libro se abre con un primer bloque que presenta el viento desde su lado más artístico y humanístico. Jaume Mascaró, sabiduría en estado puro, nos hace irnos nada más ni nada menos que al origen del hombre, ligado ya desde ese momento inicial al aire, al ‘Aliento de los Dioses’. Además nos presenta a Eolo, valiéndose de la Odisea, desmontando la extendida creencia que él es el Dios de los Vientos, cuando se trata más de un guardián de los mismos tras haber sido encomendado a ello por el gran Zeus. Desde este intenso paseo mitológico haremos un recorrido seductor, lleno de imágenes, desde la gran escala –paisajes del viento en estado puro– hasta la escala humana –alianza entre el viento y el hombre- y también de sensaciones; las que mis compañeros Joan Moreno y Jordi Morelló, bajo la batuta de Andreu Estany, han sabido como nadie plasmar en ‘El viento, el paisaje y el hombre’. El destino de este recorrido será el enfoque literario que en ‘Los aires y las letras’, el siempre genial Javier Muñoz ha dado al viento. Su capítulo, en el que tienen cabida desde Neruda hasta Faulkner, pasando por Goethe y Hemingway, entre otros muchos, un prodigio de cultura y originalidad. Como remate de este primer bloque, quien les escribe ha intentado, con su ‘Soplo de Historia’, acercar los orígenes y evolución de esas máquinas que utilizaron y utilizan la energía eólica para transformarla en otro tipo de energía, ahora eléctrica, pero antaño de otros tipos. Descubrir restos de molinos históricos tan evocadores e imponentes como los que todavía al día de hoy existen en Nashtifan, Irán –primeros molinos de viento que aparecen como máquinas y no como simples objetos, entretenimientos o juegos– así como imaginar la concentración de hasta 10 000 molinos en los mejores tiempos 20

the greatest benefits I’ve reaped from my association with wind energy is indisputably the opportunity it’s afforded me to collaborate with people, both colleagues and clients, of the very highest stature in every sense of the word. Their teachings lie in the realm of the invaluable: these lines afford me the chance to express my sincerest gratitude to each and every one of them. The book opens with a discussion of wind from an artistic and humanistic perspective. Jaume Mascaró, the personification of pure wisdom, takes the helm to pilot us to the very origin of humanity, associated from the outset with the air, that ‘Divine breath’. Drawing from The Odyssey, he introduces us to Aiolus, refuting the mistaken but widespread belief that he was the God of the Winds, when actually Zeus merely made him their guardian. That intense mythological tour is followed by a seductive journey, rife with images and sensations, both artfully reflected by my colleagues Joan Moreno and Jordi Morelló, guided by Andreu Estany. The photographs in their chapter capture scenes on scales ranging from the grandest (windy landscapes at their most quintessential) to the human (the race’s alliance with the wind). In ‘Airs and letters’, that journey’s port of destination, Javier Muñoz takes us on a tour of the wind’s presence in literature. Brilliant as always, he identifies allusions in authors from Neruda to Faulkner, from Goethe to Hemingway, to name only a few, in a chapter reeking with scholarship and originality. To round off this first theme, the undersigned has attempted, in ‘History in a whirl’, to navigate through the origin and development of machines that harnessed and continue to harness the wind: today, to generate electric power but historically to produce other types energy. Discovering the evocative and monumental windmills whose remains are still standing at Nashtifan, Iran (the first ever to be used as machines rather than mere objects for amusement or toys), and mentally reconstructing the grandiosity of up to 10 000 machines operating on Crete’s Lassithi Plain during its Golden Age are


INTRODUCCIÓN

eólicos de la Meseta de Lassithi en Creta, han sido experiencias que, añadidas a la natural satisfacción de lo aprendido, me han transportado virtualmente a otros tiempos. Este capítulo busca también mostrar al lector, de forma gradual, las sucesivas evoluciones de los molinos de viento primero, y aerogeneradores después, que han desembocado en las grandes máquinas eólicas que hoy en día conocemos y casi consideramos parte del paisaje y son capaces de proporcionar, cada una de ellas, la electricidad necesaria para miles de hogares. Llegado a este punto, el libro cambia de rumbo y entra en terrenos menos culturales y más crematísticos. Es ahí donde Alberto Ceña, primero despliega toda su experiencia y conocimiento de los mercados eléctricos y, además de mostrarnos su funcionamiento más general, aboga por la necesidad de que las Energías Renovables, y particularmente la eólica, tengan una participación y presencia fundamental y creciente en los mismos. Siguiendo con la fe, completamente justificada a mi juicio, en las Energías Renovables y dentro de las mismas en la eólica, David Sarrasín –qué puedo yo decir de David, si me tiene completamente conquistado– en su capítulo Un mundo mejor, de manera absolutamente genial, en un alegato a favor de aquellas, desarrolla su teoría según la cual los problemas bien conocidos por todos del modelo energético actual –contaminación, elevados precios que además no generan siempre riqueza en el propio país, y excesiva importancia de la geopolítica debido a la dependencia energética que muchos países tienen de otros– se ven superados. Su propuesta para el nuevo modelo energético, de la que solo diré aquí que se basa en tres pilares como son las Energías Renovables, el almacenamiento de energía eléctrica y el automóvil –sí, el automóvil– resulta enormemente interesante. Recomiendo, también, no perderse el último punto de su capítulo, en el que otorga a cada persona la posibilidad real de formar parte de este cambio de modelo. Nos hará pensar, a buen seguro. El libro sigue discurriendo y entra, tras otro cambio de tercio, en un bloque que podría tildarse de más científico. El Capítulo 7 trata el viento como el fenómeno físico que es, dando luz sobre algunos de los conceptos básicos de Meteorología que

INTRODUCTION

experiences that not only imbued me with the joy of learning, but literally ferried me to centuries past. This chapter also attempts to describe how windmills and later wind turbines evolved into the enormous machines that have come to form part of today’s landscape, any one of which can generate the electricity needed to power thousands of homes. The book then changes course, sailing in a less cultural and more economic direction. In the fifth chapter, Alberto Ceña shares his vast knowledge of and experience with electricity markets, describing their operation in general and advocating for a greater role for wind in today’s energy scenario. In the next leg of the voyage, David Sarrasín (what can I possibly say about David, other than that he’s one of my heroes?) adheres to an, in my mind wholly justified, belief in renewable energies, wind especially. Masterfully defending their use in his chapter on ‘A better world’, he contends that all the notorious problems posed by the current energy model (pollution, high prices that do not always generate wealth in the source country and excessive geopolitical influence due to certain countries’ energy dependence on others) are surmountable. His proposal for a new energy model, about which I’ll only say that it rests on three pillars, renewable energies, electric power storage and the automobile (yes! the automobile), holds enormous promise. The reader may not want to miss the last item in his chapter, in which he charts the way for each individual to contribute to this change in paradigm. It’s certain to give us pause. The book then takes yet another tack, venturing into more scientific waters. Chapter 7 discusses the wind as the physical phenomenon it is, shedding light on some of the meteorological events that give rise to its existence. Chapter 8 describes the characteristics that make a site suitable for wind farms, while the theme’s final chapter explains the steps involved in assessing the wind resource, once the instruments required for a detailed feasibility analysis are in place. These three chapters, authored by Consuelo Alonso, another person I feel honoured to have met over the last 5 years, attest to 21


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

llevan a su existencia. El capítulo 8 analiza la bondad de los emplazamientos susceptibles de ser considerados para la instalación de parques eólicos, mientras que el último capítulo de este bloque, el 9, lo culmina con los pasos siguientes en lo que a la evaluación del recurso eólico respecta, una vez que se han situado los equipos de medición que permitirán el análisis detallado de la viabilidad del parque en cuestión. Todos estos capítulos, que constituyen una muestra más de su afán y capacidades didácticas, han sido redactados por Consuelo Alonso, otra de las personas de las que me siento honrado de haber podido conocer durante estos años. Sabiendo de Consuelo y de su ritmo de viajes por el mundo al que acostumbra, no me extrañaría nada que sus capítulos hayan sido escritos, o al menos esbozados, en distintos aeropuertos, lo que le daría aún más mérito a su ya de por sí inestimable colaboración. El penúltimo bloque, el más industrial y civil, nos lleva directamente a los distintos componentes que conforman una turbina, primero, y un parque eólico, después. Es Miguel Núñez, Migueltxo, un grandísimo y admirable ingeniero que sabe, y mucho –yo diría que de todo–, quien se ha encargado de despiezarnos por escrito una turbina. Las góndola, las palas, el buje, la multiplicadora y el resto de componentes que conforman la propia turbina, así como los distintos sistemas de orientación y control, apoyos y puesta a tierra. Son todos ellos elementos complejos que él, siguiendo al milímetro la idea orientación rectora básica del libro que se comentaba anteriormente, es capaz de describir con una sencillez y claridad pasmosas. Si seguimos virtualmente el camino descendente que nos lleva desde la propia turbina al suelo nos encontraremos inmediatamente con la torre, nuestra querida torre. Elemento estructural al que muchos de los que trabajamos en Esteyco hemos dedicado, dedicamos y dedicaremos muchas horas, días, meses e incluso años de nuestra vida. Una de estas personas es mi compañero Juan Carlos Rosa, que si bien ha sido de los últimos en llegar, ha aportado un conocimiento y visión muy importantes al equipo. En el desarrollo del capítulo Juan Carlos ha sabido expresar muy adecuadamente la importancia que la 22

her pedagogical leanings and talents. Knowing Consuelo and aware of the pace of her worldwide travels, I wouldn’t be at all surprised if these texts were written, or at least outlined, in airports, adding if possible to the inherent merit of her invaluable collaboration. The second-last theme of the book is geared to industrial matters and civil construction, with a description of the components of individual wind turbines and whole farms. Miguel Núñez, ‘Migueltxo’, an immense and highly reputed engineer who, I dare say, knows everything there is to know about turbines, has taken it upon himself to dismantle one in writing. The nacelle, the blades, the hub, the gearbox and other components of the turbine itself, as well as the pitch, yaw and control systems, the supports and earthing circuit, are all highly complex elements that he, taking the general approach of this book to heart, has described with astounding simplicity and clarity. Following a downward course from the turbine to the ground, the first element we come across is the tower, our beloved tower. This is the structural member to which those of us who work at Esteyco, among them my colleague Juan Carlos Rosa, have devoted, devote and will continue to devote many hours, days, months and even years of our lives. Juan Carlos is one of the team’s most recently enlisted members and one from whose farsighted know-how it has benefited enormously. In this chapter, he very skilfully explains the importance of the tower in a wind project, as well as in the cost of and the return on investment, inasmuch as it is the element that positions the turbine at the optimal height, depending on the distribution of wind speeds. Building on that notion, he addresses the present need for innovative solutions that make it possible to erect higher towers at a competitive cost, which, in my opinion, is tantamount to seeking a crane-free future. Speaking of which, with our readers’ permission, I would draw their attention to a particularly ingenious solution, telescopic self-lifting wind towers, in which many of us see enormous promise for a notso-distant tomorrow.


INTRODUCCIÓN

INTRODUCTION

torre tiene en un proyecto eólico, en el coste y en la rentabilidad de la inversión también, al ser este elemento el que sitúa la turbina a la altura óptima, dependiendo de la distribución de velocidades de viento. Y a este respecto, se señala la problemática actual según la cual se precisa de soluciones innovadoras que permitan subir más altura a un coste competitivo, la cual pasará también en mi opinión, por un futuro independiente de grúas. Permítame el lector, llegado a este punto, no perderse el punto relativo a la torre telescópica de hormigón autoelevable, solución ingeniosa donde las haya en la que muchos tenemos depositadas enormes esperanzas en un futuro no tan lejano.

The next harbour in this leg of our journey is in the land of conventional civil works, the seed that at Esteyco blossomed into the rest of the wind activities in which the firm engages today. My colleague Manfred Petersen, German by birth, Spaniard by adoption and with a small Turkish streak acquired by marriage, provides us with a splendid compendium of his vast knowledge of wind turbine foundations. Rotational stiffness, anchor bolt cages, embedded steel cans, fatigue and countless other concepts are now familiar to us thanks largely to experts like Manfred. Around 8 GW of installed capacity rest on foundations that bear his signature: hardly to be scoffed at.

Aún más abajo entramos en el reino de la obra civil clásica, la semilla que en Esteyco sirvió para el florecimiento del resto de las actividades eólicas que hoy en día desarrollamos. Y el compendio que mi compañero Manfred Petersen, alemán de nacimiento, español de adopción y también con algún ramalazo turco gracias a su familia política, hace un espléndido extracto de todo su conocimiento de las cimentaciones de los aerogeneradores. Rigideces rotacionales, jaulas de pernos, virolas, fatiga y tantos otros conceptos nos resultan hoy en día familiares gracias en una buena parte a expertos como él. Unos 8 GW de potencia instalada con cimentaciones que han pasado por sus manos y cabeza le contemplan, casi nada.

In one of the final chapters of this theme, Francesco Miceli narrates the many particularities and champions the often underestimated importance of wind farms’ internal and access roads, assembly platforms, drains and other civil works. Francesco, with whom I have had the satisfaction of working in a number of wind farms in widely varying terrains, demonstrates that a suitable design authored by genuine specialists is instrumental to minimising costs and maximising operability. He also describes the most common errors he has identified in his career, an attitude greatly appreciated at a time when most of us feel tempted to flaunt only our most positive experiences.

Cerrando este capítulo de ingeniería civil, Francesco Miceli nos relatará las particularidades, que las hay y muchas, y la importancia, tantas veces minusvalorada, de los caminos interiores del parque o de acceso, plataformas de montaje, drenajes y otras obras civiles. Francesco, con quien he tenido la satisfacción de trabajar en unos cuantos parques eólicos en muy diversas regiones, además de mostrar la importancia –también económica– de un adecuado proyecto realizado por auténticos especialistas en la materia que minimicen los costes maximizando la funcionalidad, nos muestra los errores más comunes que su experiencia ha ido detectando, cosa que es de agradecer en estos tiempos en los que todos tenemos la tentación de mostrar únicamente las cosas maravillosas que nos suceden.

Although it should be obvious and while we make every effort to do so, civil engineers are not always focused on the sole objective of wind farms: to maximise electric power generation at the lowest possible cost. Having electrical engineers close by helps us to keep that in mind. And when those engineers are only too eager to share their know-how, as is my very young colleague Miguel Ángel Ruiz, expertly guided by Ramón Sagarra, all his teammates profit immensely. I have to admit that his chapter on electrical works in wind farms is one of my favourites. Starting with the fundamentals of generation, he captains our journey across the electrical equipment and components that carry electric current from its birth in the generator to its delivery to the grid, in an entertaining cruise interwoven with stories and anecdotes. This chapter and this 23


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Aunque parezca obvio, y aunque nos esforcemos por hacerlo, no siempre los ingenieros civiles tenemos en mente que el único objetivo de un parque eólico es, siempre, la maximización de la producción de electricidad al menor coste. El rodearnos de ingenieros eléctricos, a este respecto, ayuda a tenerlo bien presente. Y si esos ingenieros tienen los conocimientos y actitud didáctica que mi jovencísimo compañero Miguel Ángel Ruiz tiene, bien guiado como lo está por Ramón Sagarra, los que le rodeamos somos enormemente afortunados. Su capítulo relativo a la obra eléctrica en los parques eólicos, he de reconocer que está entre mis favoritos. Partiendo de los fundamentos básicos en materia de generación, nos muestra de una manera amena y trufada de historia y anécdotas, los equipos y componentes eléctricos que la corriente va a travesando desde su nacimiento en el generador hasta su salida a la red. La culminación del capítulo, y también de este bloque, es atrevida pues hace un pronóstico del futuro en cuanto al origen de la electricidad que consumiremos. Aunque viniendo de Miguel Ángel –y si además va en la 5línea de lo que David Sarrasín aventuró en el capítulo 6– me atrevo a decir que será bastante certera. Capítulo aparte merece el offshore. Y por muchos motivos. El primero, porque todos sabemos que el futuro pasa por ahí. El segundo, porque dentro de la casa está suponiendo un estímulo imparable, contándose con una serie de proyectos que la palabra atractivos no puede expresar lo espectacular y el reto que suponen los mismos. Y otro más porque es José Serna quien escribe este capítulo. José es la pieza clave del motor de la innovación en Esteyco y, por tanto, responsable directo de habernos llevado un paso más allá. Se trata, sin duda alguna, de una de las personas del mundo con más conocimiento de torres y cimentaciones tanto on-shore, como sobre todo offshore, el campo en el que la mayoría de los mortales aún estamos empezando. No hay más que leer su capítulo para darse cuenta de todo ello. Gracias a él nos sumergiremos en la energía eólica marina, con todos sus condicionantes –técnicos y económicos– y conoceremos un poco mejor las armas, en 24

theme end on a brave note, venturing predictions about the source of the electric power to be consumed in future, although coming as they do from Miguel Ángel (and concurring with David Sarrasín’s forecast in Chapter 6), I believe there’s a fair chance that they’ll be right on target. Offshore wind energy merits a separate chapter, for many reasons. The first is that, as we all know, that is where the future lies. The second is that, in-house, it is the irresistible force behind a number of projects, as spectacular as they are challenging, to which the word promising fails to do justice. And last but certainly not least is the identity of the author: José Serna. José is the tail wind that fills Esteyco’s innovative sails and consequently the person responsible for piloting our vessel to each new port. He is, without a doubt, one of the world’s most knowledgeable experts in the field of on- and especially off-shore towers and foundations, a discipline in which other mortals like myself are mere novices. Just reading his chapter attests to that: thanks to him we become immersed in offshore wind energy, with all its technical and economic boundary conditions. We also learn a little more about the technological arms and solutions from which engineers can draw to harness and transmit that energy from the severe and adverse conditions where it is generated to the warmer and as a rule friendlier environments where it is consumed. I’ve deliberately left for the end the two texts that open and close this book, Javier Rui-Wamba’s ‘Prologue’ and Miguel Ángel Fernández’s ‘Epilogue’ I’m fairly certain that the vast majority, if not all, of the people reading this introduction know Javier, as well they should, for his professional merits, which I am not going to list here, are widely reputed and admired. Miguel Ángel’s name may in some cases be less of a household word, something I assure you is truly a shame. His combination of practicality and creativity (along with a good measure of perseverance) are keys to the fascinating firm that Esteyco has become. Metaphorically speaking, both men can be said to be the turbines that generate,


INTRODUCCIÓN

forma de tecnología y soluciones, con la que los ingenieros contamos para poder captar y transportar esta energía desde las severas y ásperas zonas en las que se genera, hasta los más cálidos y amigables, en general, centros de consumo. Quería dejar para el final las dos intervenciones que abren y cierran este libro, las que corresponden a Javier Rui-Wamba en el ‘Prólogo’ y Miguel Ángel Fernández en el ‘Epílogo’. A Javier, estoy seguro, le conocerán la inmensa mayoría de las personas, si no todas, que estén leyendo este texto. Y con razón, pues sus méritos profesionales, que no voy a citar aquí, son bien conocidos y admirados. A Miguel Ángel, quizás no sea así en algunos casos. Y, lo prometo, es una auténtica lástima que no lo sea, pues su mezcla de practicidad, creatividad –junto también a una importante testarudez– son elementos claves en todo el fascinante Esteyco de hoy en día. Siguiendo con analogías eólicas, se puede decir que ambos han sido, y siguen siendo, los generadores que producen, las palas que captan y suministran la energía al resto de componentes, así como las torres que sustentan, el Esteyco eólico actual. El texto escrito por el primero de ellos como prólogo resulta delicioso, aunque creo, modesta pero orgullosamente, que en algunos momentos se deja llevar por la joven pero profunda amistad que hemos labrado estos últimos años. En el epílogo de Miguel Ángel, se muestra con diversas anécdotas la génesis de algunos de los brillantes conceptos que constituirán el futuro –y también ya parte del presente– del Esteyco de hoy en día. Un Esteyco libre, como bien señala Miguel Ángel, aunque ello tenga un precio. Creo que, una vez presentados los capítulos del libro y los amigos que han prestado su ayuda a a darles forma escrita, si el lector mantiene la curiosidad de sumergirse –al fin y al cabo el viento es un fluido– en la lectura del libro que ahora sujeta entre sus manos, es hora de dejarnos llevar por este Soplo de Viento a favor, como impulso que nos ayuda a transitar hacia un futuro eólico radiante y lleno de vida que servirá para que el mundo sea, al menos, un poco mejor.

INTRODUCTION

the blades that harness and transmit energy to the rest of the crew in charge of designing the towers that support Esteyco’s wind division today. Javier’s prologue is a delight to read, although I (modestly but proudly) fear that at times he may have been carried away by our deep albeit recent friendship. In his epilogue, Miguel Ángel recalls the amusing conditions that surrounded the genesis of some of the brilliant ideas that will forge Esteyco’s future, and which in some ways are already forging what it is today: a firm, as Miguel Ángel so wisely notes, for which freedom has sometimes come at a high price. This introduction to the chapters in the book and the friends who have consented to contribute to it by putting their expertise in writing aims to encourage the reader to plunge (wind is, after all, a fluid) more deeply into its contents. The time in any event has now come to sail With a Fair Wind to a brilliant future teeming with life in which that atmospheric energy will help make tomorrow’s world at least a little better than today’s.

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I. EL ALIENTO DE LOS DIOSES

Una aproximación a una mitología del viento

DIVINE BREATH A glimpse at the mythology of wind

JAUME MASCARÓ

I El hombre, en más de un sentido, puede ser considerado «hijo del viento». Aunque, a fuer de ser precisos, debería decir «hijo del aire», porque el viento, dice el diccionario, no es más que «aire en movimiento». Su partida de nacimiento, desparramada en narraciones de múltiples culturas, lo vincula a la tierra, de donde, según los latinos recibe el nombre: humus homo, pero si esta vinculación lo enraíza en el barro, en el polvo, en la arcilla, su carácter diferencial, su realidad existencial deriva de su especificidad aérea, ventosa... «Cuando Jahvé Dios hizo la tierra y el cielo, no había todavía ningún arbusto ni había brotado hierba alguna, ya que Jahvé Dios no había hecho llover sobre la tierra, ni había ningún ser para cultivar los campos, entonces brotó un rio de la tierra y regó toda la superficie de los campos. Entonces, Jahvé Dios formó al hombre con el polvo del campo, soplando le hizo penetrar en la nariz un aliento de vida, y el hombre se convirtió en un ser vivo.» [Génesis, 2, 5-7]

I Humanity can be viewed as a ‘child of the wind’ in more than one respect, or more precisely, as a ‘child of the air’ for the wind, according to the dictionary, is merely ‘air in motion’. While the very record of the species’ birth, scattered across a host of narratives and cultures, roots it in the earth, the mud, the dust, the clay (hence the Roman label, humus homo), its differential nature and existential reality stem from its airy, gusty specificity... And every plant of the field before it sprung up in the earth, and every herb of the ground before it grew: for the Lord God had not rained upon the earth; and there was not a man to till the earth. But a spring rose out of the earth, watering all the surface of the earth. And the Lord God formed man of the slime of the earth: and breathed into his face the breath of life, and man became a living soul. [Book of Genesis, 2, 5-7]

El mito hebreo de la creación del hombre a partir del polvo y del aliento divino es la segunda versión del mito de la creación del hombre que aparece en el Génesis y suele atribuirse, según los expertos en las Escrituras, a la llamada «Escuela Yahvista». Es probable que sea una interpolación, influida por la mitología babilónica, con la que el mundo semítico mantiene más conexiones de las comúnmente conocidas y aceptadas, como el hecho que Ur de Caldea, al sur de Mesopotamia, sea la patria del patriarca Abraham, o que los hebreos sufrieran una depor-

The Hebrew myth of man’s creation from dust and divine breath is the second version of the myth that appears in the Book of Genesis and is usually attributed, according to biblical scholars, to the so-called 'Yahwist authors'. It is very likely an interpolation inspired by Babylonian mythology, with which the Semitic world maintained closer connections than is normally recognised or accepted. Ur in the southern Mesopotamian nation of Chaldea, for instance, was the birthplace of the patriarch Abraham; and the Jews were deported from Babylon by Nebuchadnezzer in the sixth century bCe. In

Fig. 1. Bóreas rapta a Oritía, P. P. Rubens, 1620

Fig 1. The Rape of Orithya by Boreas by P. P. Rubens, 1620 27


CON EL VIENTO A FAVOR

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tación babilónica, realizada por Nabucodonosor, en el siglo VI a.C. En una de las versiones de los mitos babilónicos, la diosa Araru va fabricando con sus manos a los seres vivos como estatuillas de arcilla. No parece congruente con la tradición hebrea, una cultura de pastores nómadas, un mito basado en la técnica alfarera, que es típica de culturas sedentarias y de vinculación a la agricultura, pero las influencias de los mitos mesopotámicos en el conjunto de las culturas del Medio Oriente son profundas. Un contexto compartido de la creación del hombre, o de su recreación, es el mito del diluvio que aparece por primera vez en la mitología sumeria, como fenómeno ordenado por Enlil, molesto por la incómoda y ruidosa actividad de los humanos. El mito del diluvio es más conocido por su versión bíblica, con la historia del arca de Noé. Un eco del mismo mito, con la consiguiente recreación del hombre a partir de la tierra, lo encontramos en Grecia, en la historia de Deucalión y Pirra, el hijo de Prometeo. Más tarde, en Grecia, la idea de vida como aire o aliento, aparecerá bajo la forma de ψυχή (‘psiché’), en el contexto homérico, es decir, aquello que desaparece en el momento de la muerte, cuando los héroes dejan de respirar y exhalan el último aliento. ‘Respirar’, término que remite a la versión latina de ‘psiché’, que es spiritus, ‘espíritu’. El espíritu no es, en su sentido original, más que aquello intangible que distingue a los vivos de los muertos, el «aire de la vida». Y todavía mucho más tarde, a partir del siglo I a.C., la cultura latina va a incorporar, para expresar esta propiedad de estar vivo otro término griego Ἄnemos (‘ánemos’), el término genérico para designar el viento –todavía hoy para nosotros el anemómetro es el aparato que mide la velocidad del viento– y que van a transcribir en dos palabras de muy largo alcance en nuestra cultura: anima y animus, el «alma» y el «ánimo». La primera, el alma, designa el principio de vida y por influencia de la filosofía griega de raíz pitagórica y platónica, será concebida como una realidad sustancial, diversa de la realidad corporal. En cambio, para la tradición arcaica griega –y después para una filosofía 28

one of the versions of the Babylonian myth, the goddess Amaarhus moulded living beings out of clay. Although a myth based on potting, more typical of sedentary, farming-based civilisations, would appear to be scantly consistent with the nomadic herding that characterised Hebrew culture, all Middle Eastern tradition was deeply influenced by Mesopotamian myths. Another shared creation or re-creation myth, the flood, first appeared in Sumerian mythology, according to which it was sent by Enlil out of annoyance with humanity’s vexatious and noisy activity. The biblical story of Noah's ark is nonetheless the better known version of the legend. An echo of the same myth, with the re-creation of humans from the earth, can be found in the Greek story of Prometheus’s son Deucalion and his wife Pyrrha. Later in Greece, the idea of life as air or breath would appear in the form of ψυχή (psyche); more specifically, in the Homeric context it was identified with what disappears when a dying hero takes his last breath. ‘Respiration’ stems from the Latin version of psiché, namely spiritus, spirit. Spirit, in its original meaning, is nothing more than the intangible that distinguishes the living from the dead, the ‘air of life’. Much later, beginning in the first century bCe, Roman culture would coin another Greek term to express the property of being alive, Ἄnemos (ánemos), the generic term for the wind (today we still call a device that measures wind speed an anemometer), which branched into two words, ‘anima’ and ‘animus’, soul and courage. The former, soul, was used to mean the principle of life: under the influence of Pythagorean and Platonic philosophy it was regarded as a substance distinct from corporal reality. In older Greek tradition, however (and later for a nondualistic philosophy), anima meant simply a basic function, breathing, the presence of which is a sign of life. The idea of the soul as an entity that can subsist outside the body would be amply developed in Christian tradition, whereas both in Hebrew texts and Greek mythology whole human beings, not just their souls, live after death, either in ‘heaven’ or in ‘hades’.


I. EL ALIENTO DE LOS DIOSES

no dualista–, anima designa simplemente una función básica, la respiración, cuya presencia es el signo de la vida. La idea de un alma como entidad que puede subsistir separada del cuerpo va a tener un largo recorrido en la tradición cristiana, pero conviene recordar que tanto en los textos hebreos, como en la misma mitología griega, son los seres humanos íntegros, no sus almas, las que viven más allá de la muerte, sea en el “cielo” o en el “hades”. El otro término, animus, en masculino, significa la “vitalidad”, la fuerza, la potencia, el ardor. Se parece más al sentido del término griego θυμός (‘thumós’), que suele utilizar Platón para designar lo que solemos llamar alma, pero que subraya más el ardor, el sentimiento, es decir, la calidez de lo vivo frente a la frialdad de lo muerto. También en griego se utiliza otro término para referirse al concepto de “vida-aire/aliento/viento”: pneàma (‘pneuma’), que significa también viento o aire. En los textos clásicos, es sinónimo de ánemos, el viento, o simplemente de aer (‘aér’), el aire. Quizá deberíamos también incluir en este catálogo de palabras griegas relacionadas con aire y el viento el término aither (‘aither’), el éter, esa forma sutil de aire que llena el espacio cósmico. II Respirar..., aspirar el aire..., vivir como forma de “tener aliento”. La respiración es la función vital básica y, de todas las funciones biológicas, es la que tolera menos su suspensión. Podemos dejar de comer durante días, podemos inactivar durante un tiempo otras funciones vitales, pero no podemos prescindir del aire para respirar más allá de unos minutos. Los dioses parecen avaros con el uso del aire y el viento. Y los mitos lo reflejan de modo curioso. Las narraciones míticas muestran un repertorio diverso y notable del papel del aire/viento, tanto en el origen mismo del cosmos, como en su importancia para la vida de los dioses y de los hombres.

DIVINE BREATH.

The other term, animus, in the masculine gender, means vitality, strength, power or zeal. It is closer to the Greek word θυμός (thumós) used by Plato to mean what we generally call soul, but its connotations are zeal, passion, i.e., the warmth of the living as opposed to the chill of the dead. Another Greek word used to refer to the notion of ‘life-air/ breath/wind’ is πνεàμα (pneuma) which means wind or air. In classic texts, it is a synonym of ánemos, wind, or simply aer (aér), air. Lastly, this catalogue of Greek words associated with air and wind would be incomplete without the term aither (aither), ether, that subtle form of air that fills cosmic space. II Breathing..., inhaling air..., living defined as ‘having breath’: breathing is the most basic of bodily functions, the one least tolerant of interruption. We can go without eating for days, we can stall other vital functions for a while, but we cannot be deprived of breathable air for more than a few minutes. Such a miserly allocation of air and wind by the gods is reflected in myth in curious ways. Mythical narrative has a widely diverse repertoire of episodes on the role of air/wind, both in the very origin of the cosmos and in its importance for the survival of gods and humans. Rather inevitably, the first reference to that repertoire must be to Enlil, the ‘Lord Wind’ in Sumerian mythology, protagonist of the earliest written version of Mesopotamian cosmogony. Recorded in Cuneiform characters on clay tablets dating from the second millennium bCe, it nonetheless reflects much earlier oral tradition. In its account, ‘in those times’, before there was time or space or anything distinguishable in the formless magma of existence, a whirlwind, an intense windy disturbance, carried the part that would be called An (heaven) upward and thrust the other, Ki (earth) downward. The agitator, the separator responsible for that primeval distinction, the one who first introduced the notion of a recognisable structure 29


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Probablemente sea inevitable poner en primer lugar el nombre de Enlil, el “Señor-Viento” en la mitología sumeria. La versión más antigua de los textos cosmogónicos de Mesopotamia, descrita en tablillas de arcilla del segundo milenio a.C., escritas en signos cuneiformes, pero que recogen tradiciones orales mucho más antiguas, cuenta que “en aquel tiempo”, cuando todavía no existían ni el tiempo ni el espacio, ni nada era todavía distinguible en el magma confuso de lo existente, un remolino, una agitación ventosa intensísima, arrebató hacia arriba una parte que se llamó An, “el cielo”, y lanzó hacia abajo la otra parte, que se llamó Ki , “la tierra”. El agitador, el separador, el que hace posible la primera distinción, la primera posibilidad de una estructura reconocible del universo es el “Señor-Viento”, el primero y más arcaico de los dioses sumerios, Enlil. Con él, An (o Anu) y Ki (o Enki) –que en la tradición acadia se llamará Ea– se configura la tríada principal de los dioses sumerios, en torno a los cuales va a constituirse la teogonia babilónica, desarrollada a lo largo de varios milenios, a través de las culturas sucesivas de sumerios, acadios y asirios, y conservada, para nosotros, en textos escritos en tablillas de arcilla, con frecuencia solo fragmentariamente. Uno de los más importantes, como el Atrahasis, un poema de unos 1 200 versos, escrito supuestamente hacia 1650 a.C., en un contexto de cultura acadia, describe el conflicto entre Enki-Ea, que ha creado a los hombres para que sean laboriosos y produzcan de la tierra, y Enlil, el dios superior, que fastidiado por el rumor de los afanosos humanos, decide eliminarlos con un diluvio universal, pero Enkil-Ea, a través del héroe Atrahasis, el equivalente del Noé hebreo, consigue evitar su desaparición. En otro de los textos, quizá el más famoso de los conservados, el Enuma Elish, siete tablillas que contienen un poema de unos 1 100 versos, probablemente de finales del segundo milenio a.C., se describe la creación del mundo, donde cada aspecto de la realidad corresponde a una divinidad y se narra la lucha entre Tiamat, la fuerza salvaje del universo, que amenaza con destruir a los mismos dioses, y Marduk, un dios joven, hijo de Enki-Ea. 30

in the universe, was ‘Lord Wind’, the headmost of Sumerian gods, Enlil. With him, An (or Anu) and Ki (or Enki), who in Akkadian tradition would be called Ea, constituted the major triad of Sumerian deities. Babylonian theogony, developed around them over several millennia across successive Sumerian, Akkadian and Assyrian cultures, has been conserved to our times, on occasion only fragmentarily, in texts written on clay tablets. One of the major such texts, the Atra-hasis, a 1 200line Akkadian poem presumably written around 1650 bCe, describes the conflict between Enki-Ea, who created humans, beings meant to live from the earthly fruit of their toil, and Enlil, the superior god who, irritated by the resulting din, decided to eliminate them with a flood. Enki-Ea, however, prevented their disappearance through the ministry of the hero of the story, Atra-hasis, the equivalent of the Hebrew Noah. Perhaps the most famous of the Babylonian texts conserved, the Enûma eliš, a poem around 1 100 lines long, is written on seven tablets probably dating from the late second millennium bCe. In its description of the creation of the world, each aspect of reality is represented by a divinity. It narrates the struggle between Tiamat, the wild force of the universe, who threatens to destroy the gods themselves, and Enkil-Ea’s young son Marduk. Feeling their power threatened, the gods appoint Marduk as their king, who in return confronts Tiamat and defeats her with the essential cooperation of his assistants, the four main wind-gods. They find their way inside Tiamat to inflate and weaken her immense body, enabling Marduk to injure her. He subsequently rips her into two halves, scatters her entrails and subjugates her followers, also gods, definitively imposing order on the universe. That order is symbolically expressed on the ‘Tablet of destinies’, in which Marduk is portrayed as regulator of meaning and of the future. The shift from the Lord-Wind, Enlil, primary cosmic architect, to the wind-gods, Marduk’s decisive helpers in his battle against Tiamat, should probably be understood within the logic of the cultural evolution of Mesopotamia, that rich land whose Greek name describes its location ‘between two rivers’. Enlil,


I. EL ALIENTO DE LOS DIOSES

Los dioses, que sienten su poder amenazado, designan como dios-rey a Marduk, el cual se enfrenta a Tiamat y consigue derrotarla con la colaboración fundamental de sus dioses ayudantes, los cuatro vientos principales, que consiguen meterse dentro de ella e inflarla, debilitándola, permitiendo entonces que Marduk la hiera y posteriormente la divida por la mitad, reparta sus entrañas y someta a todos los dioses que la han ayudado, imponiendo definitivamente el orden en el universo. Este orden se expresa simbólicamente en “la tablilla de los destinos”, con la cual Marduk se erige en el regulador del sentido y el futuro. El paso de la figura del Dios-Viento, Enlil, agente primordial de la estructuración cósmica, a los dioses-viento, ayudantes de Marduk, decisivos en su lucha con Tiamat, encierra un deslizamiento de sentido, que creo hay que entender de acuerdo con el proceso de la lógica de la evolución cultural de Mesopotamia, esa rica tierra “entre dos rios”, que es la etiqueta que le pusieron los griegos. En el caso de Enlil, señor del Viento, este no designa un fenómeno atmosférico, sino un agente desencadenante del proceso primero e iniciático de la constitución del universo mismo, es decir, aquello que da sentido a la existencia misma de algo llamado “cielo”, Anu, y de algo llamado “tierra”, Enki. Quizá no sea trivial que la tríada Anu-Enlil-Enki, esté relacionada en su origen con diversas ciudades-estado, cada una de las cuales genera sus propias narraciones, sus mitos, como Nippur, de la que Enlil es originalmente el patrono y que está al norte, en zona montañosa. Enlil es en su origen “el Señor de la Montaña y de la Tormenta”, que se distingue del espacio fluvial, el agua dulce, que favorece la agricultura, que caracteriza el territorio de Enki (Ea), señora de la ciudad de Eridu, en el curso bajo del Eúfrates. ‘Cielo’, ‘tierra’, ‘agua’ van encontrando su lugar por la acción del Señor-Viento, el que marca las diferencias y, por ello, orienta el destino de la acción humana y del conjunto del cosmos. En cambio, los dioses-viento, los ayudantes de Marduk, corresponden a un período donde el poder soberano ya no es, básicamente, una referencia cósmica, sino la expresión del poder

DIVINE BREATH.

Lord Wind, is not an atmospheric phenomenon but the agent who triggered the initial constitution of the universe, i.e., something that lent meaning to the notion of heaven, Anu, and earth, Enki. That the Anu-Enlil-Enki triad was originally related to several city-states, each with its own narratives and myths, may not be trivial. Nippur, whose patron was initially Enlil, was located in the north, in a mountainous area. Enlil was initially ‘Lord of the Mountain and the Storm’, distinguishable from the fluvial space and fresh water conducive to the agriculture that characterised Enki’s territorial domains. Enki (Ea) was lady of the city of Eridu on the lower Euphrates. Heaven, earth and water thus began to find their place thanks to Lord Wind, who with that differentiation guided the destiny of human action and the cosmos as a whole. The wind-gods, in contrast, Marduk’s helpers, arose in a period when sovereignty was not an essentially cosmic reference. Rather, it was the expression of the unifying power of a king who controlled a vast realm, from the mountains to the sea, where the winds defined space and participated in the regulatory effect sought in the stories of the gods. At times, however, their impetuous and unpredictable nature turned the winds into a malign force, such as in the myth of Ninurta, one of Enlil’s sons, who marshalled the seven evil winds and climbed up the mountain with them to confront his enemy Anzû. Those winds are unnamed in the myth. The texts narrating the myths that have reached us are in any event nearly always compilations, often fragmented and written long after the age when the myths themselves were still local stories that imbued life and society with meaning and stood at the base of community ritual. In the context of the construction of state structures designed to control whole territories, such as Babylonia, mythological texts were the fruit of the sedimentation and accumulation of a variety of materials generated in social environments for which references cannot always be readily found. Despite those obstacles, however, certain constants can be identified that reveal their meaning, albeit sketchily. 31


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unificador de un rey que controla un amplio territorio, de la montaña al mar, en la que los vientos sirven para definir el espacio y para ayudar a la acción reguladora que pretenden las historias de los dioses. Aunque, a veces, su carácter impetuoso e imprevisible puede convertir a los vientos en un fenómeno maligno, como se cuenta en el mito de Ninurta, uno de los hijos de Enlil, en que este asciende a la montaña, equipado con los Siete Vientos Malignos, para enfrentarse a su enemigo, Anzû. El mito, en este caso, no nos proporciona nombres de tales vientos. Conviene recordar que los textos conservados que recogen los mitos son, casi siempre, recopilaciones, con frecuencia fragmentarias, muy posteriores a la época en que tales mitos eran todavía cuentos locales que daban sentido a la vida y a la sociedad y que, casi siempre, fundaban la práctica ritual de la comunidad. La construcción de estructuras de estado, que controlaban un amplio territorio, como en el caso de Babilonia, hacen que sus textos mitológicos sean producto de sedimentación y acumulación de materiales diversos, en los que no siempre es fácil encontrar los referentes ambientales y sociales que los generaron. Pero a pesar de todo, podemos rastrear en ellos algunas constantes, que nos permiten esbozar su sentido. “Al conferir a Enlil, el viento, la atmósfera, el poder revolucionario de hacer bascular definitivamente lo inmutable en el movimiento –evolutivo o involutivo– poco importa, que convierte el viento en el agente primordial y principal de la creación del mundo, esta tradición sumeria inaugura la vía que será seguida más tarde por otras cosmogonías, cuando el demiurgo Marduk corte en dos el cuerpo de Tiamat, sometida por él, metiendo dentro de éste los vientos (Enûma Elish, tablilla IV, líneas 96 ss.), o cuando Elohim se cierne sobre las aguas en el primer capítulo del Génesis (I, 2 b).” [Elena Casin, “Mesopotamia”, en Yves Bonnefoy (dir.), Diccionario de las mitologías, vol. I, pag.112].

A esta doble referencia babilónica y hebrea podríamos añadir la de la cosmogonía griega, tal como la recoge Hesíodo (Teogonía, 32

In conferring upon Enlil, the wind or atmosphere, the revolutionary power of definitively setting the immovable into motion – whether this be evolutionary or counterevolutionary – thus making the wind a primordial and principal agent of the creation of the world, this Sumerian tradition blazed the path which would later be followed in other cosmogonies in which the demiurge Marduk forces Tiamat into submission by filling her with the winds and cuts her body in half (Enûma eliš, tablet IV, lines 96 et sequentes), or in which Elohim glides above the waters in the first chapter of Genesis (I:2). [Elena Casin, ‘Mesopotamian Cosmogony’, in Yves Bonnefoy (ed.), Mythologies, a restructured translation of Dictionnaire des mythologies et des réligions des sociétés traditionelles du monde antique, p. 155]

A discussion of Greek cosmogony might serve as a supplement to this dual reference to the Babylonian and Hebrew traditions. In Hesiod’s rendition (The theogeny, lines 120-122), Enlil’s role is played not by a wind-god but by a peculiar, differentiating agent with a diffuse personality named Eros, ‘fairest among the deathless gods, who unnerves the limbs’ This is obviously not the Eros who appears later in connection with Aphrodite and the sexual impulse, but of something like what Enlil signified, for his presence in the primeval chaos is associated with the emergence of Gaia (the Earth) and subsequently of Uranus (the sky), who together would engender the whole stormy family of Olympian gods. And while nothing in Eros relates him to the wind, his role is similar to Enlil’s, although the Eros at the beginning of The theogeny seems to be a free agent unbound to any element and consequently devoid of descendants. He represents the inner force that drives the gradual transformation of Chaos into Cosmos, the steady transition from an inchoate and indistinguishable to a differentiated and identifiable universe. The long list of gods described in The theogeny, the succession of generations, their struggles and conflicts until Zeus consolidates his power, are a mere mythological resource to explain differentiation. The names of the


I. EL ALIENTO DE LOS DIOSES

versos 120-122), en el cual el papel de Enlil no corresponde a ninguna divinidad del viento, sino a un dios peculiar, agente diferenciador, de naturaleza difusa, que se llama Eros, “el más bello entre los dioses inmortales, desatador de miembros”. Evidentemente no se trata aquí del Eros que aparece posteriormente relacionado con Afrodita y el impulso sexual, sino de algo parecido a lo que significaba Enlil, porque su presencia en el Caos primigenio, se vincula a la emergencia de Gea (la Tierra) y a la posterior aparición de Urano (el Cielo), de los que va a generarse toda la tormentosa familia de los dioses olímpicos. Y aunque Eros no tiene ninguna característica que lo relacione con el viento, su función es parecida a la de Enlil, aunque el Eros del inicio de la Teogonía parece un agente libre, que no se une a ningún elemento ni, por ello, tiene descendencia alguna. Representa el dinamismo interno que hace posible la progresiva transformación del Caos en Cosmos, el paso de un universo confuso e indistinguible a otro diferenciado e identificable. La larga lista de dioses que nos relata la Teogonía, que se suceden en generaciones diversas, con sus luchas y conflictos hasta la consolidación del poder de Zeus, no es más que el recurso mitológico del reconocimiento de la diferenciación. Los nombres de los dioses son simplemente una relación de objetos y funciones primordiales del universo-cosmos. Eros solo tiene como oponente a Eris, ‘la discordia’, lo que subraya todavía más su contribución a la génesis cósmica, aunque su figura, en este contexto, no parezca tener la grandeza de un dios-fundador. III En contraposición a la mera descripción de los VientosAyudantes del babilónico Marduk, la Teogonía de Hesíodo nos explica bien la filiación de los Ἄnemos (ánemoi), “los vientos”, hijos de Eôs, la Aurora, a su vez hija de los titanes Hyperion, “el que està en lo alto” y Theia, “la luminosa”, y hermana de Helios, “el sol”, y de Selene, “la luna”. Su padre, Astreo, hijo de Crio y Euríbia, pertenece también al linaje de los titanes de

DIVINE BREATH.

gods are no more than a list of primeval objects and functions of the universe-cosmos. That Eros’s sole opponent is Eris (discord) further underscores his contribution to cosmic genesis although here his persona does not appear to have the grandeur of a founding god. III Unlike the Enûma eliš, which affords a mere description of Babylonian Marduk’s helper winds, Hesiod’s The theogeny explains the affiliation of the Ἄνεμοι (ánemoi) (the winds), children of Eôs (Dawn), in turn daughter of the Titans Hyperion (the high-one) and Theia (wide-shining) and sister to Helios, the sun, and Selene, the moon. Their father, Astraeus, son of Crius and Eurybia, was a second-generation Titan who personified the suite of natural phenomena and basic forces of nature, particularly those that move in luminous astral space. It is the wind-gods’ duty to organise human and divine space. Hence they are closely associated with their geographic provenance, their place of origin so that, for the first time, their existence affords a basic outline for spatial orientation: And Eos bare to Astraeus the strong-hearted winds, brightening Zephyrus, and Boreas, headlong in his course, and Notus. [The theogeny, lines 378-380] Oddly, Hesiod mentions only three of the original winds: Ζέφιρος (Zephyr), Βορέας (Boreas) and Νότος (Notus), making no reference to the fourth, Εΰρος (Eurus), the last of the four cardinal points. Eurus, however, is more often associated with the southeast wind, i.e., the wind from the region between Syria and Egypt, seen from the Greek perspective. These, the four best known winds, are the ones that appear predominantly in mythical texts. But in classical Greece the intermediate winds were also given names, such as Caicias (northeast), Euronotus (southeast, when Eurus was not so affiliated), Lips (southwest), Skeiron (northwest) and Thraskias 33


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segunda generación, que expresan y personifican el conjunto de los fenómenos naturales y de las fuerzas básicas de la naturaleza, en especial de las que se mueven en el espacio luminoso y astral. Los dioses -viento tienen la función de organizar el espacio en el que circulan los hombres y los dioses, por ello su filiación está íntimamente ligada a su procedencia geográfica, a su lugar de origen, de modo que, por primera vez, su existencia dibuja un esquema básico, que permite la orientación espacial: “Eos, con Astreo, uniéndose amorosamente la diosa con el dios, tuvo a los vientos de impetuoso soplo, el purificador Céfiro, el veloz Bóreas y el Noto.” [Teogonía, vss. 378-380] Es curioso que en esta relación de Hesíodo se mencionen únicamente tres vientos originales: Ζέφιρος (Céfiro), Βορέας (Boréas), Νότος (Noto), y no se menciona al cuarto viento, Εΰρος (Euro), que completa la referencia a los puntos cardinales, aunque Euro con mayor frecuencia se refiere al viento sudeste, es decir, el que proviene de espacio comprendido entre Siria y Egipto, visto desde la perspectiva de Grecia. Estos cuatro vientos constituyen los más conocidos y son los que aparecen de forma predominante en los textos de carácter mítico. Pero en la Grecia clásica se usaban también nombres para designar los vientos intermedios como Kaikias (noreste), Euronoto (sudeste, cuando Euro se usaba para designar el este), Lips (sudoeste), Skeiron y Thraskias (noroeste). Estas denominaciones aparecen en textos de tipo descriptivo y geográfico, sin vínculos significativos con narraciones o historias de la mitología griega conocida. La importancia mitológica de los vientos en Grecia es muy desigual. Cada uno de ellos remite a una dirección en el espacio, pero ésta no es abstracta, ni deriva de una concepción geométrica del espacio. Como ya hemos indicado, su origen es de vinculación geográfica, como sucede en todas las culturas y tradiciones populares, fuente primaria de los mitos. Fig. 2. Eós, la Aurora. Dawn, Evelyn Morgan, 1895 34

Fig 2. Fig. 2. Eós. Dawn, Evelyn Morgan, 1895


I. EL ALIENTO DE LOS DIOSES

No deja de ser curioso que en la Ilíada, fuente básica y arcaica de muchos mitos, los vientos que suelen mencionarse aparecen habitualmente personalizados, con sus nombres propios, pero no caracterizados con rasgos divinos, sino como simples fenómenos naturales, que condicionan la navegación y la agricultura, los dos ámbitos principales de la vida de los pueblos que allí aparecen. Así, por ejemplo: “Así dijo; y a todos los que no habían asistido al consejo se les conmovió el corazón en el pecho. Agitóse el ágora como las grandes olas que en el mar Icario levantan el Euro y el Noto cayendo impetuosos de las nubes amontonadas por el padre Zeus. Como el Céfiro mueve con violento soplo un crecido trigal y se cierne sobre las espigas, de igual manera se movió toda el ágora.” [Canto II, 142 ss. El subrayado es nuestro] “Como las olas impelidas por el Céfiro se suceden en la ribera sonora, y primero se levantan en alta mar, braman después al romperse en la playa y en los promontorios, suben combándose a lo alto y escupen la espuma; así las falanges de los dánaos marchaban sucesivamente y sin interrupción al combate.” [Canto IV, 422 ss] “Como el Euro y el Noto contienden en la espesura de un monte, agitando la poblada selva, y las largas ramas de los fresnos, encinas y cortezudos cornejos chocan entre sí con inmenso estrépito, y se oyen los crujidos de las que se rompen, de semejante modo troyanos y aqueos se acometían y mataban, sin acordarse de la perniciosa fuga.” [Canto XVI, 765 ss]

Euro, Noto y Céfiro son aquí utilizados como comparación para mostrar efectos de impacto psicológico, de ímpetu militar o de confrontación en la batalla, a partir de sus efectos en la agricultura, en el mar o en los bosques, pero como puros fenómenos atmosféricos, de modo que la experiencia del oyente, –recordemos que los versos de La Ilíada eran recitados por los aedos–, permite interpretar de modo expresivo el sentido de la narración.

DIVINE BREATH.

or Circios (north-northwest). These names appear in descriptive and geographic texts, devoid of any significant ties to known Greek mythological narratives or stories. The mythological importance of the winds in Greece was uneven. Each referred to a spatial direction, which was neither abstract nor derived from a geometric concept of space. As observed, their origin was geographic, as in all folklore, the primary source of myths. Oddly, in The iliad, the basic and earliest source of many myths, the winds most often mentioned were normally personified with their names but afforded no divine features. Rather, they appeared as mere natural phenomena that conditioned navigation and agriculture, the two major domains of the peoples concerned. Hence, for instance: With these words he moved the hearts of the multitude, so many of them as knew not the cunning counsel of Agamemnon. They surged to and fro like the waves of the Icarian Sea, when the east and south winds [Euros and Notus] break from heaven's clouds to lash them; or as when the west wind [Zephyr] sweeps over a field of corn and the ears bow beneath the blast, even so were they swayed. [Book II, 142 et sequentes] As when some mighty wave that thunders on the beach when the west wind has lashed it into fury – it has reared its head afar and now comes crashing down on the shore; it bows its arching crest high over the jagged rocks and spews its salt foam in all directions – even so did the serried phalanxes of the Danaans march steadfastly to battle. [Book IV, 422 et sequentes] As the east and south wind buffet one another when they beat upon some dense forest on the mountains – there is beech and ash and spreading cornel; the to[ps] of the trees roar as they beat on one another, and one can hear the boughs cracking and breaking – even so did the Trojans and Achaeans spring upon one another and lay about each other, and neither side would give way. [Book XVI, 765 et sequentes] 35


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Pero en el inicio de la descripción de los preparativos del combate entre Patroclo y Héctor, en el que aquel suplanta a su amigo Aquiles, sí hay una referencia explícita a un mito referido a Céfiro, el primaveral viento del oeste: “Patroclo mandó a Automedonte el amigo a quien más honraba después de Aquiles, destructor de hombres. y el más fiel en resistir a su lado la acometida del enemigo en las batallas, que enganchara en seguida los caballos. Automedonte unció debajo del yugo a Janto y Balio, corceles ligeros que volaban como el viento y tenían por madre a la harpía Podarga, la cual, paciendo en una pradera junto a la corriente del Océano, los concibió del Céfiro.” [Canto XVI, 145 ss]

The east, south and west winds were used as similes to convey psychological impact, military might or bodily confrontation in war, based on their effects on farming, the sea or forest, but they were invoked as mere atmospheric phenomena to enable the listener (The iliad, after all, was recited by the aoidoi) to grasp the expressive power of the narrative. The beginning of the description of Patroclus’s and Automedon’s preparations for combat, in which the former impersonates his friend Achilles, does, however, contain an explicit reference to a myth around Zephyr, the west wind of the spring: He [Patroclus] bade Automedon yoke his horses with all speed, for he was the man whom he held in honour next after Achilles, and on whose support in battle he could rely most firmly. Automedon therefore yoked the fleet horses Xanthus and Balius, steeds that could fly like the wind: these were they whom the harpy Podarge bore to the west wind, as she was grazing in a meadow by the waters of the river Oceanus.’ [Book XVI, 145 et sequentes]

Los avatares de los dioses-viento griegos corresponden sobre todo a Céfiro, el viento del oeste, y a Bóreas, el frio e impetuoso viento del norte. Euro, viento del este, o más frecuentemente del sudeste, apenas aparece en las múltiples narraciones míticas, que a lo largo de siglos se fueren contando, rehaciendo y reajustando, en función de criterios puramente literarios o, incluso en algún caso, políticos. Y Noto, el cálido viento del sur, que corresponde al verano, aparece solo esporádicamente. Bóreas (subrayemos de paso que en griego es Boreas, acentuado en la ‘e’) es un viento áspero y frio, como corresponde a su país de origen, Tracia, al norte de Grecia. Por ello, se le asocia también al invierno. Es veloz, violento y caprichoso. En versiones tardías, se cuenta que raptó a Oritía, hija de Erecteo, uno de los reyes míticos de Atenas, al que está dedicado uno de los más famosos templos de la Acrópolis. La historia del rapto, mientras la joven jugaba en un prado a orillas del rio Iliso, muy parecido a muchos casos similares de la mitología griega, hay que relacionarla tanto con el carácter imprevisible y violento del dios-viento, que da sentido a su presencia, como con la justificación de su descendencia. Bóreas tuvo de la misma

Greek wind-god avatars most frequently involved Zephyr, the wind of the west, and Boreas, the cold and impetuous wind of the north. Eurus, wind of the east, or more commonly of the southeast, barely appears in the many mythical narratives that were recounted, rewritten and adjusted over the centuries in keeping with purely literary or on occasion political criteria. Notus, in turn, the warm south wind associated with the summer, is cited only sporadically. Boreas (‘Boréas’ in Greek) was a coarse, cold wind, befitting his Thracian origin in northern Greece. He was consequently also associated with winter. He was speedy, violent and whimsical. In later versions, he was said to have abducted Orithyia, daughter of Erechtheus, a mythical king of Athens to whom one of the most famous temples on the Acropolis is dedicated.

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Fig. 3. Grabado de rosa de los vientos de Pedro Reinel, 1504

Fig. 3. Engraving of a wind rose, Pedro Reinel, 1504

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I. EL ALIENTO DE LOS DIOSES

Oritía, a la que llevó a Tracia, dos gemelos, Zetes y Calais, conocidos como los Boréadas, que tuvieron un papel relevante en la famosa aventura de los argonautas. En la versión novelesca de Apolonio de Rodas, Las Argonáuticas, los boréadas son protagonistas de diversas aventuras, todas ellas basadas en su velocidad, entre las cuales destacan el haber liberado a Fineo, esposo de su hermana Cleopatra, del acoso de las Harpías. Y por su consejo, el gran Heracles fue abandonado por los argonautas, que buscaba a Hilas. Por ello Heracles los mató, más tarde, según se dice, en la isla de Temos, donde erigió dos estelas de piedra en su memoria. Se contaba que las piedras se movían, cada vez que soplaba el viento del norte, Bóreas. De Céfiro, el dios del viento del oeste, el que trae las lluvias primaverales, que está relacionado con el resurgimiento de los vegetales, se cuentan historias diversas, como la ya mencionada en La Ilíada de haber engendrado de Podarge, una Harpía, a Janto y Balio, los veloces e inmortales caballos de Aquiles. A Céfiro se le atribuye una aventura con una de las Horas, –Eunomía, Dike y Eirene, hijas de Zeus y Temis–, no se dice cual, de la que habría tenido un hijo, Carpo, que significa “el fruto”. Una vez más, su relación con el período del año que le corresponde, la primavera, justifica los mitos de su relación con las flores y los frutos. Incluso, en una versión novelesca, se hace a Céfiro esposo de Iris, con quien habría engendrado a Eros, el pícaro dios del séquito de Afrodita. Quizá más rebuscada es la historia de la muerte del bello y joven Hiacinto, del cual estaba enamorado Apolo. Cuando ambos estaban jugando a lanzar un disco, este fue desviado por Céfiro, celoso, lo que provocó la muerte de Hiacinto. De su sangre, al tocar el suelo, brotó una bella flor, llamada “jacinto”. En la mitología griega de los vientos merece una especial mención un personaje de La Odisea, Aoloq (Eolo), cuyo nombre ha perdurado como el más conocido de los dioses del viento, y que ha producido el adjetivo “eólico”, de uso habitual para referirse a la energía y la acción del viento en general. Creo que vale la pena reproducir el texto completo:

DIVINE BREATH.

The story of the abduction, as the young woman played on the bank of the River Ilissos (as is so often the case in Greek myths), must be interpreted in light of both the unpredictable and violent personality of the wind-god, which makes his presence meaningful, and the significance of his descendants. Orithyia bore Boreas twin brothers, Zetes and Calais, known as the Boreads, who played a significant role in the Argonauts’ famous quest for the golden fleece. In Apollonius of Rhodes’ fictional version, the Argonautica, the fleet-footed Boreads were the lead characters in a number of adventures. Among the most notable was their rescue of Phineas, their sister Cleopatra’s husband, from the Harpies. On the Boreads’ advice, the Argonauts left great Heracles behind as he searched for Hylas. In revenge, Heracles ultimately killed them on the isle of Tenos, where he built two stone stelas as gravestones which, legend would have it, move whenever Boreas, the north wind, blows. Numerous stories were told about Zephyr, the west wind that brings the spring rain and is associated with the re-blooming of plants. In one, mentioned earlier, in The iliad, he begat Xanthos and Balios, Achilles' swift and immortal horses, offspring of the harpy Podarge. Zephyr was said to have had an affair with an unspecified Hora (Eunomia, Diké or Eirene, daughters of Zeus and Themis), who bore him a son, Karpos, which means fruit. Here also, his relationship with spring justified the myths around flowers and fruit. In a fictional version, Zephyr married Iris and fathered the mischievous Eros, one of the gods in Aphrodite’s retinue. What may be a more convoluted story revolved around the death of the young and handsome Hyacinth, beloved of Apollo. While the two lovers were practising the discus throw, the jealous Zephyr blew the disk back, killing Hyacinth. From the blood-soaked ground sprouted a beautiful flower, the hyacinth. In the Greek mythology around wind, one of the characters in The odyssey, Aiolos (or Aeolus), merits special mention, as his name has endured as the best known of the wind-gods 37


CON EL VIENTO A FAVOR

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WITH A FAIR WIND


I. EL ALIENTO DE LOS DIOSES

“Llegamos a la isla Eolia donde moraba Eolo Hipótada, caro a los inmortales dioses, isla flotante, a la cual cerca broncíneo e inquebrantable muro, y en cuyo interior álzase escarpada roca. A Eolo naciéronle doce vástagos en el palacio: seis hijas y seis hijos florecientes; y dio aquellas a estos para que fuesen sus esposas. Todos juntos, a la vera de su padre querido y de su madre veneranda, disfrutan de un continuo banquete en el que se les sirven muchísimos manjares. Durante el día percíbese en la casa el olor del asado y resuena toda con la flauta; y por la noche duerme cada uno con su púdica mujer sobre tapetes, en torneado lecho. Llegamos, pues, a su ciudad y a sus magníficas viviendas, y Eolo tratóme como a un amigo por espacio de un mes y me hizo preguntas sobre muchas cosas –sobre Ilión, sobre las naves de los argivos, sobre la vuelta de los aqueos– de todo lo cual le informé debidamente. Cuando quise partir y le rogué que me despidiera, no se negó y preparó mi viaje. Dióme entonces, encerrados en un cuero de un buey de nueve años que antes había desollado, los soplos de los mugidores vientos, pues el Cronida habíale hecho árbitro de ellos, con facultad de aquietar o de excitar al que quisiera. Y ató dicho pellejo en la cóncava nave con un reluciente hilo de plata, de manera que no saliese ni el menor soplo; enviándome el Céfiro para que, soplando, llevara nuestras naves y a nosotros en ellas. Mas, en vez de suceder así, había de perdernos nuestra propia imprudencia. Navegamos seguidamente por espacio de nueve días con sus noches. Y en el décimo se nos mostró la tierra patria, donde vimos a los que encendían fuego cerca del mar. Entonces me sentí fatigado y me rindió el dulce sueño; pues había gobernado continuamente el timón de la nave que no quise confiar a ninguno de los amigos para que llegáramos más pronto. Los compañeros hablaban los unos con los otros de lo que yo llevaba a mi palacio, figurándose que era oro y plata, recibidos como dádiva del magnánimo Eolo Hipótada. Y alguno de ellos dijo de esta suerte al que tenía más cercano: —¡Oh dioses! ¡Cuán querido y honrado es este varón, de cuántos hombres habitan en las ciudades y tierras adonde llega! Mucho; y valiosos objetos se ha llevado del botín de

DIVINE BREATH.

and serves as the root for a number of wind-related words in modern English. The full text of the epic is worth revisiting. Thence we went on to the Aeoli island where lives Aeolus son of Hippotas, dear to the immortal gods. It is an island that floats (as it were) upon the sea, iron bound with a wall that girds it. Now, Aeolus has six daughters and six lusty sons, so he made the sons marry the daughters, and they all live with their dear father and mother, feasting and enjoying every conceivable kind of luxury. All day long the atmosphere of the house is loaded with the savour of roasting meats till it groans again, yard and all; but by night they sleep on their well-made bedsteads, each with his own wife between the blankets. These were the people among whom we had now come. Aeolus entertained me for a whole month asking me questions all the time about Troy, the Argive fleet, and the return of the Achaeans. I told him exactly how everything had happened, and when I said I must go, and asked him to further me on my way, he made no sort of difficulty, but set about doing so at once. Moreover, he flayed me a prime ox-hide to hold the ways of the roaring winds, which he shut up in the hide as in a sack- for Jove had made him captain over the winds, and he could stir or still each one of them according to his own pleasure. He put the sack in the ship and bound the mouth so tightly with a silver thread that not even a breath of a side-wind could blow from any quarter. The West wind which was fair for us did he alone let blow as it chose; but it all came to nothing, for we were lost through our own folly. Nine days and nine nights did we sail, and on the tenth day our native land showed on the horizon. We got so close in that we could see the stubble fires burning, and I, being then dead beat, fell into a light sleep, for I had never let the rudder out of my own hands, that we might get home the faster. On this the men fell to talking among themselves, and said I was bringing back gold and silver in the sack that Aeolus had given me. ‘Bless my heart’, would one turn to his neighbour, saying, ‘how this man gets honoured and makes friends to whatever city or country he may go. 39


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Troya; mientras que los demás, con haber hecho el mismo viaje, volveremos a casa con las manos vacías. Y ahora Eolo, obsequiándole como a un amigo, acaba de darle estas cosas. Ea, veamos pronto lo que son, y cuánto oro y plata hay en el cuero. Así hablaban. Prevaleció aquel mal consejo y, desatando mis amigos el odre, escapáronse con gran ímpetu todos los vientos. En seguida arrebató las naves una tempestad y llevólas al ponto: ellos lloraban, al verse lejos de la patria; y yo, recordando, medité en mi inocente pecho si debía tirarme del bajel y morir en el ponto, o sufrirlo todo en silencio y permanecer entre los vivos. Lo sufrí, quedéme en el barco y, cubriéndome, me acosté de nuevo. Las naves tornaron a ser llevadas a la isla Eolia por la funesta tempestad que promovió el viento, mientras gemían cuantos me acompañaban.” [La Odisea, X, 1 ss –versión de Luís Segalá– el subrayado en cursiva nuestro]

La mayoría de las referencias a Eolo, como señor de los vientos, se inspiran en este texto. Apolodoro, Estrabón, Pausanias, entre otros, recogen esta tradición, aunque a veces se atribuye la filiación de Eolo a Posidón, en lugar del mortal Hípotes, para otorgarle una más clara vinculación al círculo de los inmortales. Eolo, rey de Eolia, isla que ha sido identificada con alguna de las islas del archipiélago eolio, Stromboli o Lípari, no es en realidad un dios de los vientos, sino un rey-encargado por Zeus de su control, y que Eolo entrega amablemente a Odiseo (Ulises), para hacer más fácil su navegación de vuelta a la patria y que la avaricia de los tripulantes frustrará para desgracia suya. IV El rápido recorrido por las historias sobre los vientos en la mitología griega muestra hasta que punto tales mitos ocupan un lugar importante, pero no primario, en el imaginario popular griego. Como metáforas para explicar los avatares de la guerra de Troya, o como anécdotas parciales para ilustrar la experiencia de los efectos de los vientos en la vida de los griegos, tanto en 40

See what fine prizes he is taking home from Troy, while we, who have travelled just as far as he has, come back with hands as empty as we set out with – and now Aeolus has given him ever so much more. Quick – let us see what it all is, and how much gold and silver there is in the sack he gave him.’ Thus they talked and evil counsels prevailed. They loosed the sack, whereupon the wind flew howling forth and raised a storm that carried us weeping out to sea and away from our own country. Then I awoke, and knew not whether to throw myself into the sea or to live on and make the best of it; but I bore it, covered myself up, and lay down in the ship, while the men lamented bitterly as the fierce winds bore our fleet back to the Aeolian island. [The odyssey, Book X, 1 et sequentes, author’s emphasis]

Most of the references to Aeolus, ‘captain of the winds’, draw their inspiration from the above text. Apollodorus, Strabonos and Pausanias, among others, followed that tradition, although Aeolus is sometimes said to have been fathered by Poseidon instead of the mortal Hippotes, to give him a closer kinship with the immortals. Aeolus, king of Aeolia, an island that has been identified with one of the Aeolians, Stromboli or Lipari, was not actually a wind-god, but a ruler vested by Zeus with control of the winds. This control he kindly handed to Odysseus (Ulysses) for smoother sailing home, although the voyage was aborted by the greed of his crew, to their own detriment. IV This brief overview of the stories about the wind in Greek mythology shows that myths played a significant but not a primary role in Greek folklore. They served as metaphors to explain the vicissitudes of the Trojan War or as partial anecdotes to illustrate the effects of the wind on Greek agriculture and especially seafaring. If ancient myths, from which a culture draws its meaning, are the narrative form of rituals that aim to order and guide life in community, no record has


I. EL ALIENTO DE LOS DIOSES

la agricultura como, muy especialmente, por lo que se refiere a la navegación. Si los mitos antiguos, los que otorgan sentido a una cultura, son la forma narrativa de prácticas rituales, que pretenden ordenar y pautar la vida de una comunidad, no tenemos constancia de rituales específicos relacionados con los vientos. Es probable que la referencia ritual a los vientos se incluya en rituales más amplios, relacionados con la estacionalidad agrícola y la reproducción. Es probable asimismo que la abundancia de relatos en los que es protagonista Céfiro sea un exponente de este hecho. Pero hay quizá un ritual específico relacionado con los vientos, o con las condiciones atmosféricas, que describe cómo al comienzo del período de la navegación, en el mes de abril, se practicaba en Grecia un ritual consistente en fabricar una barca de vela, a pequeña escala, que era llevada procesionalmente a una de las playas-puerto. Con la vela desplegada era lanzada al mar. Si el viento la llevaba mar adentro era buen augurio para la temporada que se iniciaba. Y sin embargo no conocemos ningún mito referido a algún dios-viento que lo recubra. La explicación podríamos encontrarla en el hecho que la importancia de la navegación para los griegos hace que el reclamo de su protección se haga directamente a Zeus o a alguna de las divinidades mayores, siendo los dioses-viento simples instrumentos de sus designios. Quizá un ejemplo significativo de este hecho podría ser un mito de los que llamamos “mitos trágicos”, aquellos cuya divulgación se da en los textos de las tragedias. Se trata del mito del sacrificio de Ifigenia. El texto más conocido por nosotros es el de Ifigenia en Aulide, escrita probablemente hacia el 408 a.C. por Eurípides (c. 480-406), en la que la escuadra griega, comandada por Agamenón, se encuentra en Aúlide imposibilitada de zarpar hacia Troya, porque no encuentra viento favorable debido a que Zeus lo impide. “No hay ningún rumor, ni de pájaros ni de mar. Los silencios del viento dominan este estrecho de Euripo”, se lamenta el rey. El “silencio del viento” se debe a una exigencia de Ártemis, la diosa cazadora, que se considera ofendida, porque parece que Agamenón cazó un ciervo en territorio reservado a la diosa y prometió que como desagravio

DIVINE BREATH.

reached us of rites specifically related to the wind. The ritual reference to the wind was probably embedded in broader rites associated with agricultural seasonality and reproduction. The abundance of accounts in which Zephyr is the protagonist may attest to that. Nonetheless, one rite may have been specifically related to the wind or the weather. Celebrated at the start of the Greek sailing season in April, it consisted in building a scale model of a sailboat that was then carried in procession to a beach-port, where, sails unfurled, it was flung into the sea. If the wind carried it seaward it heralded good fortune for the season. No wind-god is mentioned in any known myth, however, in connection with this practice. The explanation may be that the importance of navigation for the Greeks would have induced them to beseech protection directly from Zeus or one of the major divinities, of whose designs the windgods were mere vehicles. A significant example of this may be found in one of the so-called ‘tragic myths’, popularised in the texts of the tragedies. The myth in question, the sacrifice of Iphigenia, is known today primarily thanks to Iphigenia at Aulis, written by Euripides (c. 480-406 bCe) probably around 408 bCe. This play finds the Greek squadron under the command of Agamemnon at Aulis and unable to sail to Troy for want of a favourable wind, which Zeus has prevented from blowing. ‘The birds are still at any rate and the sea is calm; hushed are the winds, and silence broods o'er this narrow firth’, bemoans the king. The ‘hushed winds’ were an imposition made by Artemis, goddess of the hunt, offended because apparently Agamemnon hunted a deer in a region reserved to the her and promised that in restitution he would offer her whatever was first born in his kingdom. Unfortunately for him, the first born was his daughter Iphigenia who, according to the ruling of the prophet Calchas, would have to be sacrificed. Threatened with mutiny among the members of the pan-Hellenic fleet, Agamemnon was forced to bow to Artemis’s wishes. In Iphigenia’s lament when she discovers her tragic destiny, governance of the winds is explicitly attributed to Zeus. 41


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

le ofrecería lo primero que naciera en su reino. Desgraciadamente para él, el primer nacido fue su hija Ifigenia, según el dictamen del adivino Calcante y la diosa reclama su sacrificio. Agamenón, ante la amenaza de rebelión de los miembros de la flota panhelénica, se ve obligado a acceder a las exigencias de Ártemis. El lamento de Ifigenia, cuando se entera de su trágico destino, expresa claramente la idea de que es el mismo Zeus quien gobierna los vientos: “Ifigenia [...] ¡Ojalá que nunca hubiera acogido esta Áulide en sus fondeaderos a las popas de las naves de broncíneo espolón, la flota que navega hasta Troya, y que Zeus no hubiera soplado un viento contrario sobre el Euripo, él que dispone un viento distinto para unos y para otros, para que unos hombres se alegren de sus velas hinchadas, haya para otros pesar, y para otros necesidad, y unos zarpen, éstos atraquen, y otros se retrasen.” [Eurípides, Ifigenia en Aúlide, versos 1320-1330 –versión de A. Medina González y Juan Antonio López Férez]

V La importancia que el viento tiene en la vida de los humanos ha hecho que su presencia sea diferenciada y destacada, otorgándoles nombres propios que les proporcionan identidad “personal” y han permitido elaborar sobre ellos historias, cuentos, mitos, que se han integrado mejor o peor en el conjunto de narraciones populares que constituyen lo que llamamos “mitología” de una comunidad. Para los nativos de una comunidad, los vientos se identifican con su nombre y tienen su “personalidad”: el Moncayo, en Aragón, por el monte del mismo nombre, entre Zaragoza y Soria, el viento de Montalvo, en Salamanca, el Morellà, el viento de Morella, en el Maeztrazgo, la Tramontana, potente viento del norte, en Cataluña o en Menorca... Tales nombres de los vientos tienen casi siempre un origen relacionado con el territorio de su procedencia geográfica y son innumerables los refranes populares que dan testimonio de la vivencia local del viento 42

Iphigenia.- [...] I would this Aulis had never received in its havens here the sterns of their bronze-beaked ships, the fleet which was speeding them to Troy; and would that Zeus had never breathed on the Euripus a wind to stop the expedition, tempering, as he doth, a different breeze to different men, so that some have joy in setting sail, and sorrow some, and others hard constraint, to make some start and others stay and others furl their sails!

V As a result of its importance in human life, the presence of wind has been highlighted and differentiated with names that bestow on it a ‘personal’ identity. The stories, accounts and myths generated around those names have been blended more or less successfully into the suite of narratives that comprise what is known as a community’s ‘mythology’. For the members of a community, the winds are identified by their name and have a distinct ‘personality’. In the Spanish region of Aragon, the Moncayo takes its name from the eponymous mountain between Zaragoza and Soria. In the province of Salamanca, the wind is Montalvo, and Morella in Maestrazgo, likewise in Aragon, while the strong north wind that blows in Catalunya or Menorca is the Tramontana. Such names are nearly always related to their area of provenance and countless proverbs attest to the ongoing significance of the wind in local life. The origin of these names is sometimes clear and explicit, but at others it has been obscured by time, making it difficult to determine where they actually come from. In southern Spain the warm wind from the other side of the Straight of Gibraltar is called ábrego, a name deriving from Africus the Roman name for the south wind, i.e., the wind from Africa. The cierzo is the northwest wind in the Spanish regions of Aragon, Navarre and Rioja, called cerç or cerès in Catalan. All three trace their roots to the Latin circius, by way of its conversion into cercius’


I. EL ALIENTO DE LOS DIOSES

DIVINE BREATH.

[vid. http://stel.edu/paremio-rom] A veces tal origen es claro y explícito, pero otras veces se ha hecho opaco con el tiempo y nos cuesta reconocer desde donde aquellos nombres tenían sentido. En el sur de España se llama ábrego al viento cálido que proviene del otro lado del estrecho. El nombre deriva de ‘africus’, nombre latino del viento meridional, es decir el viento de África. O el cierzo, viento del noroeste en Aragón, Navarra y la Rioja, que también tiene su versión en catalán, el cerç o cerès, nombre que proviene del nombre latino del mismo viento ‘circius’, a través de su transformación via ‘cercius’. Un buen ejemplo de estas opacidades y transformaciones son los nombres de los vientos en el catalán actual, que por su origen, sugieren una procedencia de influencia marinera e italiana, o en cualquier caso, mediterránea: Tramontana deriva del latín ‘transmotanus’, probablemente a través de su versión italiana, ‘tra-i-monti’, el viento que proviene de los montes, pero, en contra de lo que pudiera parecer, los montes a los que el nombre se refiere no son los Pirineos, sino los Alpes, es decir el viento fuerte y frio que baja a través del Adriático. Gregal deriva de ‘graecale’, el viento que proviene de Grecia. Xaloc, que corresponde al italiano sirocco, viento del sudeste, parece que deriva de un término árabe ‘Šalôk’ o ‘shûluq’, que significaria “este” o “viento cálido”. Su procedencia geográfica sería el viento que viene de Egipto. En castellano, en los ambientes marineros se utiliza el término “jaloque”, para designar el sudeste. Migjorn es el viento del sur, que corresponde al ‘mediodía’ (mig-jorn) y deriva del latín meridies.

Examples of this obscurity and conversion lie in the names of the winds in modern Catalan, which suggest a marine and Italian or at least a Mediterranean origin.

Llebeig, viento del sudoeste, proviene del latino “ventus líbicus”, el viento que viene de Líbia, quizá, según algunos autores, a través de una forma arabizada. En castellano, los marinos usan también el término “lebeche”. En cambio, en las tierras del interior de Cataluña, el llebeig se denomina “garbí”, del árabe ‘gârb’, “oeste”, término del cual deriva también el nombre de la región del Algarve, al sur de Portugal, es decir, “el oeste de Al Andalus”.

For the purpose pursued in the example, the traditional names Llevant and Ponent, classic western Mediterranean references to the east andwest (sunrise and sunset) winds, were omitted.

Tramontana is derived from the Latin transmotanus, very likely by way of the Italian tra-i-monti, the wind that comes from the mountains. Anti-intuitively, however, the mountains to which it refers are not the Pyrenees but the Alps: a strong cold wind that rolls across the Adriatic Sea. Gregal comes from graecale, the wind from Greece. Xaloc, a rendering of the Italian sirocco, the southeast wind, appears to come from the Arabic Šalôk or shûluq, meaning east or warm wind. Geographically, its provenance is Egypt. In Spanish, sailors use the term jaloque to designate the southeast wind. Migjorn is the south wind, which translates into English as midday, derived from the Latin meridies. Llebeig, the wind from the southwest, comes from the Latin ventus libicus (the wind from Libya), according to some authors possibly after its Arabisation. In Spanish, sailors also use the term lebeche. In contrast, in inland Catalunya, the Llebeig is known as Garbí from the Arabic gârb or west, a term to which the southern Portuguese region of Algarve also owes its name: i.e., 'west of Al-Andalus’ (Moorish Spain). Mestral, also known as Mistral, is a derivative of magistrale or master, after its Italianisation to mestre. The reference is to the prevailing wind, necessary to access the central Mediterranean from Venice.

The names of these winds draw a diagonal line that runs from Greece to Libya, placing the vantage point in southern Italy. Presumably, the names were adopted by sailors used to crossing the Mediterranean and to trading in the major Italian 43


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Mestral, a veces llamado Mistral, deriva de la forma ‘magistrale’, “maestro”, via una forma italiana ‘mestre’ y haría referencia al viento dominante y necesario para acceder al Mediterráneo central desde la zona de Venecia.

A los efectos del ejemplo, dejamos de lado los nombres de Llevant y Ponent, que remiten a los nombres clásicos de Levante y Poniente, es decir la salida y puesta del sol. El hecho de que los nombres de estos vientos dibujen una diagonal Grecia-Líbia sitúa su centro de referencia en el sur de Italia y supone que tales nombres fueron adoptados por navegantes acostumbrados a cruzar el Mediterráneo y a comerciar con los principales puertos italianos, desde Génova a Venecia. La forma de los nombres sugiere un origen medieval, en el que el contacto con zonas del norte de África habría incorporado los términos de influencia árabe. VI Cuando en el crucial siglo VI a. C. para la cultura griega, y para la cultura humana, algunos hombres sabios empezaron a leer los mitos desde la distancia mental del conocimiento racional, se inició una forma de “teología laica”, que con el tiempo otros llamaron “filosofía”, en la que muchos de los temas de la mitología fueron reformulados como principios explicativos o, algo más tarde, fueron transformados en literatura teatral, con finalidad política y moral. Uno de estos sabios, Anaxímenes de Mileto, “declaró que el principio [Άρχή –arjé–] de las cosas existentes es el aire; pues de éste nacen todas las cosas y en él se disuelven de nuevo. Y así como nuestra alma, que es aire, dice, nos mantiene unidos, de la misma manera el viento (o aliento) envuelve todo el mundo.” [Aecio, i 3, 4]

Las historias de Enlil, Yahvé, Zeus, Eolo, Céfiro, Bóreas, etc. y su prolongación laica en los primeros filósofos pretendían dotar de sentido la existencia misma del cosmos y los modos de vida 44

ports, from Genoa to Venice. The form of the names suggests a Medieval origin, influenced by Arabic due to the contact with northern Africa. VI When in the sixth century bCe, so crucial for Greek culture and human culture in general, a number of wise men began to read myths from the mental distance of rational thought, they ushered in a sort of secular theology. In time that would come to be known as philosophy, through which many mythological questions were reformulated as explanatory principles or, somewhat later, transformed into plays, with a political and moral message. One such sage, Anaximenes of Miletus, ‘declared air to be the archê of existing things. From it all things come to be and into it all things are dissolved. He says as our soul, being air, holds us in order (sungkratei), so wind and air envelop the whole kosmos.’

The stories of Enlil, Yahwe, Zeus, Aeolus, Zephyr and Boreas and their secular prolongation via the earliest philosophers attempted to endow the very existence of the cosmos and cultural practice with meaning. Today, despite our scientific aspirations, we may still sway with the fair or unfair winds unleashed by the gods or other powerful forces as we navigate across existence. That may give us reason to follow the advice of an expert sailor and poet: Nâo te chamo para te conhecer Eu quero abrir os braços e sentir-te Como a vela de un barco sente o vento [I beckon not to know you, But to hold you in my open arms Like the sails of a boat hold the wind] Sophia de Mello Breyner Andresen (Porto, 1919- Lisbon, 2004)


I. EL ALIENTO DE LOS DIOSES

DIVINE BREATH.

de nuestras culturas. Hoy, a pesar de nuestras pretensiones científicas, quizá andamos todavía moviéndonos al albur de los vientos, favorables o desfavorables, que los dioses o los poderosos determinan para nuestra nuestra navegación por la existencia. Quizá por ello sea interesante adoptar el consejo de una poeta experta en navegación: “Nâo te chamo para te conhecer Eu quero abrir os braços e sentir-te Como a vela de un barco sente o vento” Sophia de Mello Breyner Andresen (Porto, 1919- Lisboa, 2004)

Translator’s

note to

C hapter 1, ‘D ivine

breath ’

Source of excerpts quoted in English in this chapter Aetius, I 5, 2, in Ancient Greek Cosmogny, Bloomsbury Academic, London, 2013 (p. 47 and p. 260); translated by Andrew Gregory; cited from http:/books.google.ca/ books?id=oSo6K_22tvgC&pg=PA260&lpg=PA260&dq=%22 aetius+i+5+2%22&source=bl&ots=HABbRqts_-&sig=xqlvV a2JrLsNiQvG3PKl26qhvvE&hl=en&sa=X&ved=0ahUKEwi xyubq8qnJAhXJvBoKHUaNAr8Q6AEIHTAA#v=snippet&q =aetius%20I%205%2C%202&f=false (August 2015) Andresen, Sophia de Meyer Breyner, No tempo dividido, ‘Poemas de um livro destruído VIII’, Editorial Caminho, Lisbon, 2005, unpublished in English; verse translated for this book by M. Clark

Casin, E., ‘Mesopotamia’, in Yves Bonnefoy (ed.), Mythologies, a restructured translation of Dictionnaire des mythologies et des réligions des sociétés traditionelles du monde antique, University of Chicago Press, 1992; translated by W. Doniger et al. Euripides, Iphigenia at Aulis, http://classics.mit.edu/Euripides/ iphi_aul.pl.txt (August 2015); anonymous translation Hesiod, The theogeny, http://www.sacredtexts.com/cla/hesiod/ theogony.htm (August 2015); translated by H.G. Evelyn-White Homer, The iliad, http://classics.mit.edu/Homer/iliad.html (August 2015); translated by S. Butler Homer, The odyssey, http://classics.mit.edu/Homer/ odyssey.10.x.html (August 2015); translated by S. Butler 45


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II. EL VIENTO, EL PAISAJE Y EL HOMBRE • WIND, LANDSCAPE, HUMANITY JOAN MORENO & JORDI MORELLÓ

El paisaje es transformado por la acción continuada del viento, que como escultor paciente lo labra y modela. El viento inestable y nómada transita por el territorio, del valle a la cumbre, del páramo al humedal. Nuestros paisajes naturales son en parte, la obra inacabada y cambiante del viento que reúne las nubes en el cielo, agita las aguas de los océanos y desplaza la arena de los desiertos. El viento es un instrumento fundamental para el desarrollo de la vida. En el mundo vegetal, transporta las semillas que colonizarán nuevos territorios. En el mundo animal, aves e insectos se han adaptado al viento para ganar la batalla a la gravedad. También el hombre se ha aliado tradicionalmente con el viento, como medio para comunicarse y en su lucha por vencer el espacio, por acortar distancias tanto por el mar como por el cielo. El hombre intenta dominar el viento, lo nombra para reconocerlo y lo mide para predecir su comportamiento. Pero el viento indómito se escapa del control del hombre, desata su furia imprevisible en forma de ciclones. Y después, se deja domesticar para convertir los paisajes áridos de Lanzarote o las marismas del delta del Rin en obras de arte. Ahora sí, resulta el paisaje modelado por el hombre a causa del viento. The wind is a patient sculptor that shapes, carves and models the landscape. Unstable and nomadic, it crosses the earth’s crust from valley to summit, from moor to marsh. Our natural scenery is partly the fruit of its unfinished and changing oeuvre as it gathers clouds in the sky, churns the waters in the ocean and dunes the sands in the desert. Wind is a vital tool in life’s evolution. In the plant kingdom, it carries the seeds that colonise new territories. In the world of animals, birds and insects have adapted to the wind to defeat gravity. Human beings have also traditionally sought the wind’s alliance for communicating and for conquering space by shortening distances by sea and by air. In our attempt to master the wind, we give it names to recognise and measure it and predict its behaviour. But the indomitable wind eludes human control, unleashing its erratic fury in the form of cyclones. And yet the wind can yield its power: Lanzarote’s arid landscapes and the Rhine delta fens are works of art modelled by human hands on the wings of the wind. 47


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Muehle, Holland (Molino en Holanda), Kandisky, 1904 Photo Š Centre Pompidou, MNAM-CCI, Dist. RMN-Grand Palais/Philippe Migeat

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Muehle, Holland (Windmill in Holland), Kandisky, 1904


III. LOS AIRES Y LAS LETRAS

AIRS AND LETTERS

JAVIER MUÑOZ ÁLVAREZ

«Dícese propiamente aire aquel espacio que hay entre el elemento del fuego y el de la tierra, aunque en nuestra lengua significa también el viento, por ser el viento, como quieren algunos, aire movido o por causarse en el aire». Sebastián de Covarrubias: Tesoro de la lengua castellana o española

S emiología

de delatores

The space lying between the elements fire and earth is called the air, although [...] the word also means wind, for the wind is said by some to be air in motion or caused by the air. Sebastián de Covarrubias, Tesoro de la lengua castellana o española

S emiology

of informants

Si bien para Pasolini, partidario de la Poesia in forma di rosa, «non conta né il segno né la cosa esistente, / ecco» [«no importa si existe el signo ni la cosa, / ahí está»], lo cierto es que «tanto los filósofos como la gente común recurren a la noción de ‘signo’», sostiene el profesor Umberto Eco en Signo, a la vez que precisa qué sea un icono: «Signo que tiene conexión física con el objeto que indica, como en el caso de un dedo que apunta a un objeto o una banderola para señalar la dirección del viento». No consta que ningún hombre o animal haya visto jamás al viento —así lo canta Jorge Guillén en Cántico magno: «Con sigilo se difunde, / Nadie puede ver su cuerpo»—, pero sí se sabe de sus delatores, de que se han acordado literatos y poetas:

While for Pasolini, advocate of Poesia in forma di rosa, ‘non conta né il segno né la cosa esistente, / ecco’ [‘it matters not whether the sign or the thing exists / it’s there’], Umberto Eco contends in Segno that ‘both philosophers and the public at large resort to the notion of the “sign” ’, at the same time specifying what an icon must be: ‘a sign having a physical connection to the object denoted, such as a finger pointing to an object or a windsock that attests to the direction of the wind’. No person or animal is known to have ever seen the wind and so versifies Jorge Guillén in Cántico: ‘Slyly it dissipates / No-one can see its body’; but its informants can be identified and have been sung by writers and poets:

«Hovstad.— Jamás seré veleta que gire al soplo de cualquier viento. Aslaksen.— Eso no puede asegurarlo un político, Hovstad». Henrik Ibsen: Un enemigo del pueblo

‘Hovstad.— I am not a weathercock and never will be. Aslaksen.— A politician should never be too certain of anything, Mr Hovstad.’

«Como pañuelos blancos de adiós viajan las nubes, / el viento las sacude con sus viajeras manos». Pablo Neruda: Veinte poemas de amor y una canción desesperada

‘The clouds travel like white handkerchiefs of goodbye, the wind, travelling, waving them in its hands.’

«En mi opinión es uno de los hombres de mejor carácter que jamás han existido. Exceptuándote a ti y a tu hermano, no conozco a nadie que pueda igualársele. Siempre me acordaré del día aquel que hacía tanto viento, en la última Pascua, cuando le levantó la cometa a Henry...». Jane Austen: Emma

‘I believe he is one of the very best-tempered men that ever existed. Excepting yourself and your brother, I do not know his equal for temper. I shall never forget his flying Henry’s kite for him that very windy day last Easter...’

«De pronto, cuando menos se esperaba, preséntase un nuevo Emperador, y, por sendas de antemano señaladas, la muchedumbre se pone en marcha a través de los campos, y todos,

‘Then, suddenly, and unexpected, / A second Emperor was at hand. / And in a calm, and orderly manner / Withdrew the army from the deep: / Unfurling his deceitful banner: / They

Henrik Ibsen, An enemy of the people

Pablo Neruda, Twenty love poems and a song of despair

Jane Austen, Emma

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cual rebaño de carneros, siguen las falsas banderas desplegadas al viento». Goethe: Fausto «Cortó un trozo de sedal y amarró la mandíbula inferior del pez contra su pico, a fin de que no se abriera su boca y que pudieran navegar lo más desembarazadamente posible. Luego encajó el mástil en la carlinga, y con el palo que era su bichero y el botalón aparejados, la remendada vela cogió viento, el bote empezó a moverse y, medio tendido en la popa, el viejo puso proa al sudoeste». Ernest Hemingway: El viejo y el mar «Los demás médicos del pueblo mandaban la ropa blanca a la lavandería china, mientras que Bernice y la propia tía Dawn tendían la colada al aire libre. Blanqueadas al sol, oreadas al viento, las sábanas y las vendas quedaban siempre de primera y olían de maravilla». Alice Munro: Mi vida querida, “Santuario” «Marie Swanson corre por el jardín de la casa de al lado para recoger los crisantemos antes de que se destrocen. La falda se le vuela por encima de la cintura, ella trata de bajársela, de metérsela entre las piernas mientras se agacha, pero de nada sirve, el viento se la levanta». Katherine Mansfield: Cuentos, “Sopla el viento” «Sus abiertos paraguas fueron pronto vueltos del revés, rotos y dejados inservibles por una ráfaga de viento que se abatió enseguida desde las montañas sobre las tumbas cuando el cortejo fúnebre llegó al cementerio». Thomas Bernhard: Tala «Martínez se inclinó para observar a las tres personas que se alejaban y luego miró la casa de enfrente: una hermosa muchacha estaba asomada a una ventana del cuarto piso; el viento le agitaba levemente la cabellera oscura. Había estado siempre allí, es decir, desde hacía seis semanas». Ray Bradbury: Remedio para melancólicos, “El maravilloso traje de helado de crema” «Cruzó el hall hacia la puerta del dormitorio. Ni un ruido 76

all followed him, like sheep!’ Wolfgang Goethe, Faust

‘He cut a piece of line and tied the fish’s lower jaw against his bill so his mouth would not open and they would sail as cleanly as possible. Then he stepped the mast and, with the stick that was his gaff and with his boom rigged, the patched sail drew, the boat began to move, and half lying in the stern he sailed south-west.’ Ernest Hemingway, The old man and the sea ‘All the other doctors in town sent their linens to the Chinese laundry, while Bernice and Aunt Dawn herself hung ours out on the clothesline. White from the sun, fresh from the wind, sheets and bandages all superior and sweet-smelling.’ Alice Munro, Dear life: ‘Haven’ ‘Marie Swainson runs into the garden next door to pick the “crysanths” before they are ruined. Her skirt flies up above her waist; she tries to beat it down, to tuck it between her legs while she stoops, but it is no use – up it flies.’ Katherine Mansfield, The Katherine Mansfield megapack: ‘The wind blows’ ‘Their umbrellas were soon blown inside out, and some were broken, by a fierce gust of wind that blew across the graves from the mountains as the cortege reached the cemetery.’ Thomas Bernhard, Woodcutters ‘Martínez leaned out to watch the three people moving away, and then at the tenement across the street, in one fourthfloor window of which, far above, a beautiful girl leaned out, her dark hair faintly stirred by the wind. She had been there forever, which was to say for six weeks.’ Ray Bradbury, A medicine for melancholy: ‘The wonderful ice-cream suit’ ‘He crossed the hall to the bedroom door. There was still no sound save the wind (there was a window, the sash did not fit; the black wind whispered and murmured at it but did not enter, it did not want to, did not need to).’ William Faulkner, Wild palms


III. LOS AIRES Y LAS LETRAS

todavía, salvo el viento (había una ventana, que no cerraba bien; el viento negro murmuraba en ella pero no entraba, no quería entrar, no necesitaba entrar)». William Faulkner: Las palmeras salvajes «La puerta da al exterior, entra un viento helado y nosotros estamos desnudos y nos cubrimos el vientre con las manos. El viento golpea y cierra la puerta; el alemán vuelve a abrirla y se queda mirando con aire absorto cómo nos contorsionamos para protegernos del viento los unos tras de los otros; luego se va y cierra. ¡Ah, poder llorar! ¡Ah, poder enfrentarse al viento como antes lo hacíamos de igual a igual, y no como aquí, como gusanos sin alma!». Primo Levi: Si esto es un hombre «Vi que no había nadie, aunque seguía oyendo el murmullo como de mucha gente en día de mercado. Un rumor parejo, sin ton ni son, parecido al que hace el viento contra las ramas de un árbol en la noche, cuando no se ven ni el árbol ni las ramas, pero se oye el murmurar». Juan Rulfo: Pedro Páramo «Quisiera pasear contigo un día de primavera, bajo un cielo de color gris, con algunas hojas muertas del año anterior arrastradas por el viento, por las calles de un barrio de las afueras; y que fuera domingo». Dino Buzzati: Sesenta relatos, “Invitaciones superfluas” «“Me inclino y me doblo, pero no me quiebro. Hasta el presente has podido resistir las mayores ráfagas sin inclinar el espinazo; pero hasta el fin nadie es dichoso”. Apenas dijo estas palabras, de los confines del horizonte acude furibundo el más terrible huracán que engendró el septentrión. El árbol resiste, la caña se inclina; el viento redobla sus esfuerzos, y tanto porfía, que al fin arranca de cuajo la Encina que elevaba la frente al cielo y hundía sus pies en los dominios del Tártaro». Jean de La Fontaine: Fábulas, “La encina y la caña” «Todos los años volvía a visitarla en la fecha de su aniversario para desaparecer momentos antes de que el viento introdujera por la puerta abierta el testimonio de su muerte: una pelota formada por papeles de periódicos atrasados que el viento deshacía

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‘The outside door opens, a freezing wind enters and we are naked and cover ourselves up with our arms. The wind blows and slams the door; the German reopens it and stands watching with interest how we writhe to hide from the wind, one behind the other. Then he leaves and closes it. (...) Oh, if one could only cry! Oh, if one could only affront the wind as we once used to, on equal terms, and not as we do here, like cringing dogs.’ Primo Levi, If this is a man ‘I saw no-one, although I could still hear a murmur, like a crowd in a marketplace. A rumble devoid of meaning, like the wind rustling through the branches of a tree at night when you see neither the tree nor the branches but you hear them swish.’ Juan Rulfo, Pedro Páramo ‘If only I could stroll with you one spring day on the outskirts under a grey sky, with some of last year’s old leaves still swirling in the wind along the streets; and if only it could be on Sunday’. Dino Buzzati, Sassanta racconti, ‘Inviti superflui’ “‘I bend and break not. You, until this hour, / have stood unbowed beneath their awful power; / But let us wait th’ event.” He scarce had said, / When from th’ horizon’s verge in fury sped / The most tremendous offspring that the North / Had ever from her coy womb sent forth. The Tree held fast: the Reed bent low: at length / The Wind put out is utmost strength, / And with long strain tore from the earth / Him who had neighboured heaven with his head, / And set his feet among the shadowy dead.’ Jean de La Fontaine, Fables, ‘The oak and the reed’ ‘...who came back to visit her every year on the date of their anniversary, disappearing moments before the wind brought the evidence of his death in through the open door: a ball made up of pages from old newspapers that the wind unfolded on the threshold of the house so as to leave the wrinkled notice published by a provincial daily on the ground, a few days before he had left.’ Juan Benet, Volverás a Región 77


CON EL VIENTO A FAVOR

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en el umbral de la casa para dejar en el suelo la esquela arrugada publicada por un diario de provincias, unos días antes de su marcha». Juan Benet: Volverás a Región «El caso de fray Diego había dejado de ser competencia del Santo Oficio, bastó ponerlo ante el palco del capitán de justicia y la última sentencia de muerte le fue comunicada: que vivo le quemaran y sus cenizas dispersaran al viento». Leonardo Sciascia: Las parroquias de Regalpetra

Un

viento es un viento es un viento

1. Consiente Sebastián de Covarrubias en que vientos hay «comúnmente hasta treinta y dos, cuyos rumbos vienen señalados en las cartas de marear, y muchos los describen, aunque con diversos nombres, y a esta causa no los especifico aquí». Sí se enu-meran y nombran —« les Latins avoient donné des noms particuliers à chacun de ces vents »— en la Encyclopédie, ou Dictionnaire raison-né des sciences, des arts et des métiers, si bien « car la division des anciens n’étant pas la même que la nôtre, les noms dont ils se sont servis ne peuvent pas exprimer exactement nos vents »: los hay vientos nortes cual el Septentrio o Boreas, el Hyperboreas y el Aquilo; del Oriente soplan el Solanus y el Eurus; meridianos nacen el Auster o Notus y el Africus; y en Poniente se despiertan el Zephyrus y el Argestes. 2. Éstos eran, en fin, los vientos cabe Mare Nostrum, de que se acuerda Josep Pla tan a menudo, ya sea en unas Cartas desde lejos: «Quien no haya entrado en el puerto de Marsella en plena racha de mistral en una madrugada lívida; quien no haya remontado el cabo Case con este viento; quien no haya visto las enormes olas que forma en la somera plataforma marítima del delta, no puede tener una idea de las amenidades del Mediterráneo con este viento», ya sea en La huida del tiempo: «En este país la estabilidad meteorológica se establece cuando, en el curso del día, el viento rueda siguiendo el movimiento aparente del sol —quiero decir el movimiento real de la tierra—. La noche ha de estar dominada por los vientos de tierra, que 78

‘Friar Diego’s case having ceased to be the competence of the Holy Office, it sufficed to bring him before the Captain of Justice to deliver his death sentence: he would be burnt at the stake and his ashes dispersed in the wind’. Leonardo Sciascia, Le parrocchie di Regalpetra

A

wind is a wind is a wind

1. Sebastián de Covarrubias assents to there being ‘normally up to thirty-two winds, whose courses are marked on oceaning charts and many describe them albeit with different names and that is why I shall not specify them here.’ They are, however, enumerated and named (‘les Latins avoient donné des noms particuliers à chacun de ces vents’) in the Encyclopédie, ou Dictionnaire raisonné des sciences, des arts et des métiers, although ‘car la division des anciens n’étant pas la même que la nôtre, les noms dont ils se sont servis ne peuvent pas exprimer exactement nos vents’: there are north winds, such as the Septentrion or Boreas, the Hyperboreas and the Achyl; from the east Solanus and Eurus blow; Auster or Notus and Africus arise in the south; and Zephyr and Argestes awaken in the west. 2. Those were the winds on Mare Nostrum, about which Josep Pla so often reminisces. In Cartas de lejos he writes: ‘If you’ve never sailed into the port at Marseille in the midst of a “mistralan” gale in the wee hours of a pallid morning; if you’ve never rounded Cape Case with that wind; if you’ve never seen the vast waves breaking against the shallow marine platform on the delta; you can’t possibly imagine how exciting the Mediterranean can be’. And in La huida del tiempo he explains: ‘In this country the weather is stable when, during a single day, the wind rolls in the apparent direction of the sun (I mean the actual direction of the earth). The earth winds should prevail at night, which here means the winds of the first and second quadrant. Then the sun rises and when its rays have dried the earth and dispersed the mist, the “gregale”, fresh and dry, glides in straight from Greece at nine AM, raising on its back


III. LOS AIRES Y LAS LETRAS

aquí comprenden o pueden comprender todos los vientos del primero y del segundo cuadrante. Luego sale el sol, y cuando sus rayos han secado la tierra y disuelta la neblina, aparece el ‘gargal’ a las nueve de la mañana, fresco y seco, directo de Grecia, elevando en sus lomos venus y tritones, caracoles de espuma, destellos rutilantes y verdor en las persianas verdes. A la hora meridiana (hora vieja, porque los vientos van a la hora vieja, como los payeses) este viento ronda, después de una caída más centelleante que un diamante, a Sur, y aparece el ‘xaloc’ o ‘sirocco’, como dicen en África. Este viento nos asfixiaría si durara muchas horas y fuera cemento: afortunadamente la divina providencia se apiada de nosotros y hace que el ‘xaloc’ sea percibido un par de horas, poco más o menos —hasta la hora de tomar café—, resultando en definitiva que este viento no es más que una demostración de fuerza de la providencia. ¡Simpática, la providencia! Luego, a la hora del coñac —¡escribo coñac con ñ porque el otro, Santo Dios, ha desaparecido!— aparece el ‘garbí’, o sea el sudoeste. Sobre el viento de ‘garbí’ he escrito bastante, en libros y periódicos, dado que a mi entender este céfiro interviene en el sistema moral y material del país de una manera permanente». 3. Una vez extinguida toda terra incognita y algún dragón (hic sunt dracones), hora era de mirarse en El espejo del mar que no es del color de vino: «En la franja central del globo los Vientos Alisios reinan soberanos, incontestados, como monarcas de reinos establecidos desde antiguo, cuyo tradicional poder, que frena toda ambición desmedida, no es tanto el ejercicio de una autoridad personal cuanto el funcionamiento de instituciones consolidadas hace tiempo. Los reinos intertropicales de los Vientos Alisios son propicios a la vida normal de un buque mercante», y añade Joseph Conrad que «como soberano, el Viento del Este posee una estabilidad notable; como invasor de las altas latitudes que se hallan bajo el tumultuoso dominio de su gran hermano, el Viento del Oeste, resulta sumamente difícil de ahuyentar, en virtud de su fría artería y de su profunda doblez». 4. Luego, con la navegación a vapor, los reinos y soberanías se debilitaron de suyo, pues todo devino filosófico y portátil al decir

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venuses and tritons, foamy snails, sparkles of light and moss on green window shades. At the midday hour (on sun time because winds, like peasant farmers, go by sun time) that wind turns south, after sinking with a glow greater than a diamond. Then the coast is swept by what the Africans call the ‘sirocco’, a wind that would be suffocating if it lasted for very long and were cement. Fortunately divine providence pities us and allows the ‘sirocco’ to blow for just a couple of hours, more or less (until dessert), just to show that this wind is little more than providence flexing its muscles. How cute, providence! Then, over liqueurs, the libeccio blows from the southwest. Much has been written about this libeccio in books and periodicals, because this zephyr is believed to have a permanent impact on a country’s moral and material way of life.’ 3. The terra incognita having vanished and a dragon or two (hic sunt dracones) become extinct, the time came to look into The mirror of the sea, which is not the colour of wine: ‘In the middle belt of the earth the Trade Winds reign supreme, undisputed, like monarchs of long-settled kingdoms, whose traditional power, checking all undue ambitions, is not so much an exercise of personal might as the working of long-established institutions. The intertropical kingdoms of the Trade Winds are favourable to the ordinary life of a merchantman.’ And Joseph Conrad adds that ‘As a ruler, the East Wind has a remarkable stability; as an invader of the high latitudes lying under the tumultuous sway of his great brother, the Wind of the West, he is extremely difficult to dislodge, by the reason of his cold craftiness and profound duplicity.’ 4. The advent of steamships, though, dealt an enfeebling blow to kingdoms and sovereignties, for everything, Voltaire observed, became philosophical and pocket-portable, ‘globalised’ avant la lettre: ‘A wind blowing deep from within the African continent and from the southern seas brings us part of Africa’s atmosphere, which falls as rain in the Alpine valleys; that rain fertilises our soils; our north wind in turn blows our vapours into Africa; so we do Guinea good, and it repays the compli79


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

de Voltaire, ‘globalizado’ avant la lettre: «Un ventarrón que sople desde el fondo de África trae parte de la atmósfera africana, que cae convertida en lluvia en los valles de los Alpes y esas lluvias fecundan nuestras tierras. Nuestro viento del Norte, a su vez, envía precipitaciones al clima de los negros: favorecemos a Guinea y Guinea nos devuelve el favor. La cadena se extiende de un extremo al otro del universo». 5. Sí parece que hayan preservado sus poderes ahora y siempre otros vientos naturalmente artificiales, bien queridos ora por el Divino Marqués en Las 120 jornadas de Sodoma: «Se arrodilla delante de aquel culo decrépito, lo besa amorosamente; se le lanzan algunos pedos en la nariz, se extasía, abre la boca, se le lanzan más pedos y su lengua va a buscar con entusiasmo el viento espeso que se le destina», ora por el humanista Rabelais: «A propósito, ¿por qué están siempre frescos los muslos de una dama? —Ese problema —dijo Gargantúa— no está en Aristóteles, ni en Alejandro Afrodisio, ni en Plutarco. —Por tres causas —explicó el monje—, en virtud de las cuales puede un lugar estar fresco siempre: primo, porque el agua lo recorre de arriba abajo; secundo, porque es un lugar sombrío, oscuro y tenebroso, en el cual no entra el sol ni la luz, y tertio, porque está recibiendo continuamente vientos del culo, de la camisa y con frecuencia de la bragueta. ¡Paje! ¡Bebida! ¡Qué bueno es Dios, que nos da este vino tan rico!».

V ientos

como espadas , vientos como labios

Sabe Neruda que «el viento es un caballo: / óyelo cómo corre / por el mar, por el cielo», pero... ¿acaso no galopa también por la tierra?; sabe Dante «que las más altas cumbres más golpea» el viento; sabe Petrarca que sólo en la cima del Mont Ventoux, «alterado por cierta insólita ligereza del aire y por el escenario sin límites», vive el hombre «privado de sentido»; sabe Chateaubriand que nadie puede «figurar la impresión que produce el viento en una elevación próxima a las nubes, en derredor de la cúpula de Miguel Ángel»; pero sabe Kant por sobre todos ellos que sólo «un mar lóbrego y tempestuoso» es «propio para 80

ment. The chain stretches from one end of the universe to the other.’ 5. Other naturally artificial winds, however, beloved of the Divine Marquis and of Rabelais, do seem to have conserved their powers now and always. From The 120 days of Sodom: ‘He knelt down before that decrepit bum and kissed it lovingly; farts were blown up his nose, he waxed ecstatic, opened his mouth, the lady opened her vent, his tongue went enthusiastically in quest of the mellow winds soughing in that tunnel’. From Five books of the lives, heroic deeds and sayings of Gargantua and his son Pantagruel: “To the purpose of the truel (sic!),—what is the reason that the thighs of a gentlewoman are always fresh and cool?” “This problem”, said Gargantua, “is neither in Aristotle, in Alexander, Aphrodiseus, nor in Plutarch.” “There are three causes”, said the monk, “by which that place is naturally refreshed. Primo, because the water runs all along by it. Secundo, because it is a shady place, obscure and dark, upon which the sun never shines. And thirdly, because it is continually flabbelled, blown upon, and aired by the north winds of the hole arstick, the fan of the smock, and flipflap of the codpiece. And lusty, my lads. Some bousing liquor, page! So! crack, crack, crack. O how good is God, that gives us of this excellent juice!”’

W inds

like swords , winds like lips

Neruda knew that ‘The wind is a horse: / hear how he runs / through the sea, through the sky’, but... might it not also gallop on land?; Dante knew that ‘the wind ... strikes the highest summits hardest’. Petrarch learned only on the summit of Mont Ventoux, that ‘owing to the unaccustomed quality of the air and the effect of the great sweep of view’ humanity lives ‘dazed’; Chateaubriand knew that no-one can ‘imagine the roar of the wind from the depths of the sky, round Michelangelo’s cupola’; but Kant knew better than any that only ‘a gloomy raging sea’ is ‘fit for the presentation of a sublimity which can be found in the mind.’


III. LOS AIRES Y LAS LETRAS

servir de exhibición a una sublimidad que puede hallarse en el espíritu». Así, ningún otro compendio de tempestades y naufragios cual La Odisea: «¡Con qué nubes ha cerrado Zeus el vasto cielo y agitado el ponto, y las tempestades de vientos de todas clases se lanzan con ímpetu!». Durante los siglos venideros los hombres «al viento esgrimirán cuchillo vago» —«todo es del viento / y el viento es aire siempre de viaje»—, mas luego se llegará el Progreso: «La brisa cesó, las velas se arrugaron desmayadas, / era la vista más triste que se pueda imaginar», y arrumbadas serán mitologías y categorías sublimes, pues «de los barcos de velas se sabe que el viento rompía los equilibrios milagrosos de las naves, abriendo la estela de los naufragios», mas «en los barcos de motor no hay mitología de la fuerza»; a qué distinguir, pues, espadas y labios si esquilado han la «crin de los vientos del mar»; a qué exclamar, pues, la liberté ou l’amour ! y condolerse porque « ce sont les hommes qui sont imbéciles, ayant basé les voiles des navires sur le même principe que la tornade, de trouver le naufrage moins logique que la navigation. Que je les méprise ceux qui ignorent jusqu’à l’existence du vent ». Florilegio. Pablo Neruda: Los versos del capitán, “El viento en la isla”; Dante Alighieri: Divina Comedia, “Paraíso”, canto XVII; Francesco Petrarca: Subida al Monte Ventoso; François-René de Chateaubriand: Memorias de ultratumba, tomo IV; Immanuel Kant: Crítica del juicio, § XXIII y XXVI; Homero: La Odisea, canto I; Luis de Góngora y Argote: Soledades, soledad segunda; Octavio Paz: Libertad bajo palabra, “Viento”; S. T. Coleridge: La Rima del Viejo Navegante, segunda parte; Ignacio Aldecoa, Gran Sol; Rafael Alberti: El alba del alhelí; Robert Desnos: La liberté ou l’amour !.

A irados vientos que gobiernan almas Teme el hombre —ya sea en el San Petersburgo de Crimen y Castigo: «Fuera seguía rugiendo el viento. “¡Esto es insufrible!”, se dijo con los nervios crispados», ya sea en el Trieste pincelado por Josep Pla en Cartas desde Italia: «Podéis así, agarrados a estos hierros, ahora un paso ahora otro, ir venciendo la dureza del

AIRS AND LETTERS

No other work, however, can compare to The odyssey for its compilation of storms and shipwrecks: ‘How black is Jove making heaven with his clouds, and what a sea the winds are raising from every quarter at once’. In the following centuries humans ‘will flourish... the blurred knife... against the wind’ (‘everything springs from the wind / and the wind is air travelling always’). But then there would be Progress: ‘Down dropt the breeze, the sails dropt down, / ‘Twas sad as sad could be’. And sublime mythologies and categories would be neglected, for ‘the wind was known to topple the miraculous balance of sail boats, blazing the trail of shipwrecks’, but ‘motorboats are unattended by the mythology of might’. Why, then, distinguish swords and lips if ‘the manes have been shorn from the seas of the wind’? Why exclaim la liberté ou l’amour! and grieve because ‘ce sont les hommes qui sont imbéciles, ayant basé les voiles des navires sur le même principe que la tornade, de trouver le naufrage moins logique que la navigation. Que je les méprise ceux qui ignorent jusqu’à l’existence du vent.’ Florilegio. Pablo Neruda, Los versos del capitán: ‘El viento en la isla’; Dante Alighieri, The divine comedy, ‘Paradiso’, canto XVII; Francesco Petrarch, The ascent of Mount Ventoux; François-René de Chateaubriand, Mémoires d’outre-tombe, Book IV; Immanuel Kant, Critique of judgement, § 23 and 26; Homer, The odyssey, Book V; Luis de Góngora y Argote: The solitudes, ‘The second solitude’; Octavio Paz, Libertad bajo palabra: ‘Viento’; S.T. Coleridge: The rime of the ancient mariner, Part II; Ignacio Aldecoa, Gran Sol; Rafael Alberti, El alba del alhelí; Robert Desnos, La liberté ou l’amour!

I rate

winds that govern souls

People, be they in the St Petersburg of Crime and punishment (‘The wind was roaring outside (...) a horrid feeling’), or in the Trieste portrayed by Josep Pla in Cartas desde Italia (‘Clinging to these irons, step by step you can master the harsh wind, its unfathomed density. It hardly encourages, rather it tends to get on one’s nerves’), people, we were saying, fear that the winds infest body and soul. Worse, however, is to resist such a natural 81


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

viento, su impresionante solidez. El fenómeno no propicia el buen humor, en absoluto, más bien crispa los nervios»—, teme el hombre, decimos, que los Vientos enfermen los cuerpos y las almas, aunque peor fuera resistirse a tan natural fuerza y tiranía, como de ello previene Juan Huarte de San Juan en Examen de ingenios para las ciencias: «Conviene que en naciendo el niño le hagamos amigo con los vientos y con las alteraciones del aire y no le tengamos siempre en abrigo, porque se hará flojo, mujeril, nescio, de pocas fuerzas, y en tres días se morirá». Sin abusar de la matemática mortuoria, en uno de sus más célebres tratados, Sobre los aires, aguas y lugares, Hipócrates nota que «en los cambios de los vientos sobrevienen los ataques, y especialmente al soplar los del Sur, y luego en los soplos del Norte, y después con los demás vientos», y así, verbigracia, «si el verano transcurre con viento del Norte y es seco, tal circunstancia es enemiga, en grado sumo, de los biliosos. Efectivamente, se secan en demasía y se les producen oftalmías secas y fiebres agudas y de larga duración; y, también, a ciertos individuos, se les produce melancolía», una extraña enfermedad que a juicio de Robert Burton, su mejor anatomista, también acontece «si el viento es tormentoso y cargado de brumas»: «Las personas tienen un aspecto triste, denotan torpeza y pesadez en sus movimientos y gran abatimiento; se muestran irritadas sin motivo aparente y las invade la melancolía». En suma, de hacer caso a Gaston Bachelard, estudioso de L’air et les songes, « toutes les phases du vent ont leur psychologie », y de ello da fe el Príncipe de Dinamarca (II, ii): «Yo sólo estoy loco con el noroeste; cuando el viento es del mediodía, sé distinguir un halcón de una garza».

Que

los aires me traigan y los vientos me lleven

Para negar el libre arbitrio, para calificar la vida de seguro azar, muy a menudo los literatos han hecho del viento metáfora vital: fatum → tempus fugit → thanatos, un proceder poético plausible, pues «si todo lo que se mueve está vivo, es lógico que el niño piense que el viento puede hablar y arrastrar al héroe hacia donde éste pretende llegar», como constata Bruno Bette82

force and tyranny, as Juan Huarte de San Juan warns in his Examen de ingenios para las ciencias: ‘The new-born should learn to befriend the wind and draughts and not always be sheltered from them, for otherwise he will grow to be a weakling, effeminate, a fool, unsound, and will die very young.’ Without going into the details of mortuary mathematics, in one of his most famous treatises, On air, water and places, Hippocrates noted that ‘they are attacked during changes of the winds, and especially south winds, then also with north winds, and afterwards also with the others’; and, for example ‘if the season is northerly and without water, there being no rain ...it is most inimical to the bilious, for they become much parched up, and ophthalmies of a dry nature supervene, fevers both acute and chronic, and in some cases melancholy.’ That strange disease, according to Robert Burton, its most eminent anatomist, also takes hold in ‘turbulent, rough, cloudy, stormy weather, [when] men are sad, lumpish, and much dejected, angry, waspish, dull, and melancholy.’ In a word, if we are to follow Gaston Bachelard, author of L’air et les songes, ‘toutes les phases du vent ont leur psychologie’, a principle echoed by the Prince of Denmark (II,ii): ‘I am but mad north-north-west: / when the wind is southerly I know a hawk from a handsaw.’

C arried

in on the air and out on the wind

To deny free will, to regard life as ‘certain chance’, writers often use the wind as a metaphor for life: fatum → tempus fugit → thanatos, a plausible poetic device, for as Bruno Bettelheim contends in The uses of enchantment: the meaning and importance of fairy tales, ‘since all that moves is alive, the child can believe that the wind can talk and carry the hero to where he needs to go’. That childish conviction is retained unscathed throughout the magic of youth: in Shakespeare’s The tempest, Prospero promises Ariel ‘Thou shalt be free as mountain winds’, but then unpleasant truth emerges. Neither can the will master Love as it fancies (‘I will accelerate the wretched summon / To which guided I am by her scorns rife, / And offer to the air body and soul, /


III. LOS AIRES Y LAS LETRAS

lheim en Psicoanálisis de los cuentos de hadas. Ese convencimiento infantil se sostiene sin lesión ni menoscabo durante la mágica juventud: «Serás libre como el viento de montaña», le dice el mago Próspero a Ariel en La tempestad shakesperiana, pero luego la verdad desagradable asoma: ni la voluntad domeña al Amor siempre que quiere —«Acelerando el miserable plazo / a que me han conducido sus desdenes, / ofreceré a los vientos cuerpo y alma, / sin lauro o palma de futuros bienes», se lamenta Grisóstomo en el capítulo XIV del Quijote—, ni son invenciones las pérdidas que arden: «Madre: no me abandones. ¿Dónde estás? / Y oigo en el bosque el viento», suspira desde la Estación de Francia Joan Margarit. Ante tal desilusión, cabe asumir el fatum sin ningún empeño, como hace Giacomo Casanova: «El lector verá en estas Memorias que no habiéndome fijado un rumbo determinado, no tuve más sistema, si tal puede llamarse al mío, que el de dejarme llevar por el viento que soplaba», o como hace sin esperanza pero con convencimiento el ‘mendigo’ de Ángel González: «Y yo pensé: / “el viento quizá sepa”, / y uní a él mi destino». Sea como fuere, no importa, pues tempus fugit y al cabo el viento se lleva las semanas de los hombres y son tristes: «No sabes que me veo perdido en la inmensidad del Ponto, que soy juguete de los vientos y que veo próxima la muerte», se confiesa Ovidio desde el exilio, a orillas del mar oscuro. Y al fin se enciende la tea de Thanatos: «Algunas veces el viento es un tulipán de miedo», escribe Federico García Lorca, ya entonces gacela de terrible presencia, desde el Diván del Tamarit; el aire frío semeja «aliento de sepultura» en la comedia bárbara y valleinclanesca que llamamos Vida; y la vanitas vanitatum era esto: «Escucha cómo el Viento te busca: / te busca para matarte», anota Leopoldo María Panero desde un manicomio...

A pólogo

AIRS AND LETTERS

Without hope or reward of future life’, laments Chrysostom in Book II, Chapter VI of Don Quixote) nor is scorching loss invented: ‘Mother, don’t leave me. Where are you? / And I hear the forest in the wind’ sighs Joan Margarit from the station in Estación de Francia. Amid such disappointment, the fatum can be assumed effortlessly, as Giacomo Casanova admits: ‘The reader of these Memoirs will discover that I never had any fixed aim before my eyes, and that my system, if it can be called a system, has been to glide away unconcernedly on the stream of life, trusting to the wind wherever it led’. Or without hope but with conviction, like Ángel González’s ‘beggar’: ‘And I thought / “maybe the wind knows”, / and I joined my fate with his’. Little does it matter, for tempus fugit and in the end the wind blows men’s weeks away and they are sad: ‘She knows not that I am buffeted about on the vast sea, knows not that I am harried by the winds, knows not that death is near me’ Ovid confesses from his exile on the shores of the dark sea. And ultimately Thanatos’ torch is lit: ‘Sometimes the wind / is a tulip of fear’ wrote Federico García Lorca, from Diván del Tamarit, by then ‘gazelle’ of the terrible presence. The cold air is like ‘the breath of the grave’ in Valle Inclán’s ‘barbaric comedy’ that we call life. And the vanitas vanitatum was just this: ‘Listen how the Wind seeks, / seeks to kill you’, observed Leopoldo María Panero from his room in an insane asylum...

A pologue

of perpetual airs

‘When he awoke, the wind was still there.’

de los aires perpetuos

«Cuando despertó, el viento todavía estaba allí».

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CON EL VIENTO A FAVOR

Translator’s

WITH A FAIR WIND

notes

Source of excerpts quoted in English in this chapter Alberti, R., El alba del alhelí [the dawn of the wallflower]; unpublished in English, translated for this book by M. Clark Aldecoa, I., Gran Sol; unpublished in English, translated for this book by M. Clark Austen, J. Emma; Diversion Books, N.Y., 2015 Benet, J., Return to Región, Columbia University Press, N.Y., 1987; translated by G. Rabassa Bernhard, T., Woodcutters, Faber & Faber, London, undated; translated by D. McLintock Bettelheim, B., The uses of enchantment: the meaning and importance of fairy tales, Alfred A. Knopf, N.Y., 1976; Vintage Books, 1989 Bradbury, R., Medicine for melancholy and other stories, ‘The wonderful ice-cream suit’, Harper-Collins e-books, N.Y., undated (first published by Hart Davis in 1959 with a slightly different content under the title The day it rained forever) Burton, R., Anatomy of melancholy, http://www.gutenberg.org/files/ 10800/10800h/ampart1.-html (August 2015) Buzzati, D., Sessanta racconti [sixty short stories], ‘Invit superflui’ [superfluous guests], Mondadori, Segrate, undated; unpublished in English, translated from the Italian for this book by M. Clark Casanova, J., The memoirs of Jacques Casanova, http://www.gutenberg.org/ ebooks/2981 (August, 2015); translated by A. Machen Cervantes, M., Don Quixote, http://www.bartleby.com/14/1000.html (August 2015); translated by T. Shelton Chateaubriand, F.-R., Mémoires d’outre-tombe, http://www.poetryintranslation.com/PITBR-/Chateaubriand/Chathome.htm (August 2105); translated by A.S. Kline Coleridge, S.T., The rime of the ancient mariner, http://www.poetryfoundation. org/poem-/173253 (August 2015) Conrad, J., The mirror of the sea, www.gutenberg.org (August 2015) Covarrubias, S. de, Tesoro de la lengua castellana o española [thesaurus of the Castilian or Spanish language]; unpublished in English, translated for this book by M. Clark 84

Dante, The divine comedy, ‘Paradiso’, http://www.poetryintranslation.com/ PITBR/Italian-/DantPar15to21.htm (August 2015); translated by A.S. Kline Fontaine, J. de la, Fables, ‘The oak and the reed’, Alfred A, Knopf, N.Y., 2001; translated by E. Marsh Dostoevsky, F., Crime and punishment, http://www.gutenberg.org/ files/2554/2554-h/2554-h.htm (August 2015); translated by C. Garnett Eco, U., Segno; translated from the Spanish version for this book by M. Clark Faulkner, W., Wild palms, Vintage Books, London, undated García Lorca, F., Diván del tamarit, ‘Gacela 9: the memory of love’, http:// www.paularcher.net/translations/federico_garcia_lorca/el_divan_del_ tamarit.html (August 2015); translated by P. Archer Goethe, J.W. von, Faust, http://www.iowagrandmaster.org/Books in pdf/ Faust.pdf (August 2015); translated by A.S. Kline Góngora, L. de, The solitudes, ‘The second solitude’, Penguin Books, London, 2011; translated by E. Grossman González, A., Harsh world and other poems, ‘Beggar’, Princeton University Press, Princeton, NJ, 2015; translated by D.D. Walsh Guillén, J., Cántico [chant]; unpublished in English, translated for this book by M. Clark Hemingway, E., The old man and the sea, Scribner Classics, N.Y., undated Hippocrates, On airs, waters and places, classics.mit.edu/Hippocratesairwatpl. mb.txt (August 2015); translated by F. Adams Homer, The odyssey, http://classics.mit.edu/Homer/odyssey.5.v.html (August 2015); translated by S. Butler Huarte de San Juan, J., Examen de ingenios para las ciencias [review of devices for science]; unpublished in English, translated for this book by M. Clark Ibsen, H., An enemy of the people, http://www.gutenberg.org/ebooks/2446 (August 2015); translated by R.F. Sharp Kant, E., Critique of judgement, MacMillan and Co., London, 1914; translated by J.H. Bernard Levi, P., If this is a man (in If this is a man and The truce), Little, Brown Book Company, London, 1991; translated by S. Woolf


III. LOS AIRES Y LAS LETRAS

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AIRS AND LETTERS

Sade, Marquis de, 120 days of Sodom, http://www.odaha.com/sites/default/ files/120_days_of_sodom.pdf (August 2015); translated by R. Seaver and A. Wainhouse Salinas, P. , Certain chance, Bucknell University Press, Lewisburg, PA, 2000; translated by D.L. Garrison Sciascia, L., Le parrochie di Regalpetra [the Regalpetra parishes], Editori Laterza, Bari, 1956; unpublished in English, translated from the Spanish version for this book by M. Clark Shakespeare, W., Hamlet, shakespeare.mit.edu/hamlet/full.html (August 2015) Shakespeare, W., The tempest, shakespeare.mit.edu/tempest/full.html (August 2015) Valle-Inclán. R. de, Comedias bárbaras, Romance de lobos [barbarian comedies, romance of the wolves]; unpublished in English, translated for this book by M. Clark Voltaire, A pocket philosophical dictionary, Oxford University Press, New York, 2011; translated by J. Fletcher; cited from http://www.amazon.com/ Pocket-Philosophical-Dictionary-Oxford-Classics/dp/0199553637 (August 2015)

85


86


IV. UN SOPLO DE HISTORIA • HISTORY IN A WHIRL RAMÓN LÓPEZ MENDIZABAL

La historia de los molinos de viento –con algunas excepciones– se trata de la historia de los habitantes de este nuestro planeta, de buscar, poseer y explotar sus propios recursos energéticos. Desde hace ya más un milenio, la utilización de la energía eólica ha tenido una gran importancia en la búsqueda de fuentes de energía que permitieran al ser humano, por una parte, formar parte de comunidades energéticamente independientes y, por otra, tener acceso a recursos energéticos ilimitados, complementando en sus inicios la fuerza bruta humana y animal, y al día de hoy formando parte de las modernas y variadas matrices energéticas actuales. Resulta llamativo cómo la tecnificada industria eólica actual ha vuelto a poner en el papel de protagonista a una tecnología que, dejando de lado las máquinas movidas por la fuerza bruta de humanos o animales, durante muchos años fue la única en todo el mundo que produjo energía mecánica. En cierto modo esta alta tecnología –quién lo diría– nos ha devuelto a los orígenes, como a continuación se tendrá ocasión de poder comprobar.

1. Los O rígenes

de los

M olinos E ólicos

Los inicios, sin embargo, fueron menos ambiciosos. Culturas tan ricas en innumerables disciplinas y campos, como la mesopotámica, egipcia y griega, por ejemplo, no mostraron aparentemente demasiado interés por las posibilidades que se podían derivar del aprovechamiento de la energía eólica, más allá del empuje que podía generar sobre las velas en embarcaciones de navegación. Es más que probable que el respeto que estas culturas tenían hacia los elementos de la naturaleza tuviera algo que ver en esta falta de interés. O quizás se tratara de falta de valor, quién sabe, a desafiar a estas fuerzas desconocidas.

With a few exceptions, the history of windmills is the history of the quest by the inhabitants of our planet to harness energy for their own purposes. For well over a millennium, wind energy has been a prominent resource in human communities’ pursuit of energy independence and access to unlimited energy, initially supplementing muscle power and today forming part of the modern variety of energy mixes. Paradoxically, today’s high-tech wind industry has drawn from techniques that for many years were the sole source of mechanical energy, outside of human muscle or animal power. In a way all this high technology (who would have thought it possible?) has brought us full circle, back to our origins, as discussed below.

1. The O rigin

of

W indmills

The early stages, however, were less ambitious. The Mesopotamian, Egyptian and Greek cultures, for instance, known to have mastered a good number of disciplines, showed little interest in the benefits to be gained from harnessing wind energy, other than for navigation. The respect that these cultures professed for the elements very likely had something to do with that lack of interest: or perhaps what they lacked was the courage to challenge those unknown forces. In contrast, certain Asian civilisations used not wind machines but what might be called wind objects to a religious purpose as in some oratory ceremonies: hence Tibetan and Mongolian Fig. 1. Estructuras de antiguos molinos en la localidad de Nashtifan (Irán), próxima a la frontera con Afganistán Fig. 1. Ancient windmills at Nashtifan, Iran, near to the Afghan border 87


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

En determinadas civilizaciones asiáticas, sí se ha podido constatar la existencia de lo que se podrían denominar no máquinas, sino más bien objetos eólicos, que se utilizaban con fines religiosos en algunas ceremonias oratorias. Las ruedas de oraciones tibetanas y mongolas, productoras de sonidos al ser mecidas por el viento, son un ejemplo de ello. Con el Imperio Romano, y más concretamente con su escuela de Alejandría a través del polifacético Herón –descubridor, por ejemplo, de la fórmula que ha pasado a la historia con su nombre, que proporciona el área de un triángulo en función de las longitudes de sus tres lados1– en el siglo II d.C es cuando aparece la primera máquina dotada de cierta sofisticación, de nombre Aneuriom, que podría considerarse –esta sí– como predecesora de los molinos de viento posteriores. En la misma, el viento hacía girar unas aspas de eje horizontal que, a su vez y por medio de un pistón, insuflaban aire a los tubos de un órgano. Una prueba más, y en este caso la primera, de la intensa relación entre el viento y la música, que si bien este libro no incluye un capítulo específico, bien podría haberlo hecho. En todo caso, la máquina de Herón no parece que fuera mucho más allá de ser una suerte de juguete, sin haber experimentado evoluciones posteriores basadas en el concepto original. Quizás el momento en el que los molinos de viento aparecen por primera vez como máquinas que mejoran procesos productivos –en este caso la molienda o la irrigación de cultivos– es en el siglo IX, en el seno de la civilización Persa. Dejando de lado su originalidad o no, lo que sí es indudable es que se trata de la primera vez que estos elementos aparecen documentados de manera clara. Algunas de las descripciones que se encuentran de estos primeros artefactos poseen una precisión y detalle francamente sorprendentes. Gracias, por ejemplo, a la descripción que Al-Dimashqi nos proporciona en el s. XIII podemos saber que cada molino consistía en un edificio alto, y preferentemente ubicado en lo alto de alguna colina –el concepto de variación de la velocidad del viento o cortadura ya subyacía

prayer wheels, which emitted sound when rocked by the wind.

1 Área = ¼ x raíz((a2+b2+c2)2-2 x (a4+b4+c4)

1 Area = ¼ x raíz((a2+b2+c2)2-2 x (a4+b4+c4)

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With the Roman Empire, or more specifically its school at Alexandria and the exemplary, multi-talented Hero (remembered especially for what has ever since been known as Hero’s formula for calculating the area of a triangle from the lengths of its three sides1), came the first more or less sophisticated wind machine. Known as the Aneuriom, this second-century CE device may be regarded as a predecessor to windmills. Its wind-rotated horizontal blades drove a piston that blew air into organ pipes, constituting the first of many instances throughout history of the close relationship between wind and music: an intriguing subject to which this book does not but might well have devoted a chapter. Nonetheless, Hero’s machine appears to have been little more than a toy that inspired no further developments based on the initial notion. Windmills may have first been used as machines for enhancing production (to grind grain or pump water for irrigation) in Persia in the ninth century. Obviating the issue of whether these elements were home-grown or borrowed from other cultures, the Persian civilisation left the first indisputable record of the existence of such devices. The precision and detail of some of the descriptions of these early artefacts are frankly surprising. Thanks to the account authored by Al-Dimashqi in the thirteenth century, for instance, we know that each mill consisted in a tall, minaret-like building, preferably erected on a hilltop (the Persians had already internalised the concept of wind shear) and divided horizontally into two sections. The lower housed the millstones, while the upper supported the sails (wooden cloth-covered blades) that could be adjusted to adapt the lift angle and consequently the rotation speed to the incident wind velocity. The remains of some of these impressive structures are still standing. They were built in vast banks such as shown in the Figure 1, still conserved in the vicinity of the Iranian city of Nashtifan, near the Afghan border.


IV. UN SOPLO DE HISTORIA

en las mentes de los persas– tipo minarete, formado por dos cuerpos. El inferior contaba con las muelas, mientras que el superior es el que incluía las aspas, de madera aunque cubiertas con un material textil, regulables para adaptar el ángulo de ataque a la velocidad del viento incidente y, consecuentemente, la velocidad de rotación. Aún se conservan restos de estas impresionantes estructuras, que se disponían en conjuntos tan imponentes como el que se puede ver en la figura 1, que al día de hoy se conserva en las cercanías de la localidad iraní de Nashtifan, próxima a la frontera con Afganistán. Respecto a la originalidad o no de estas del fin para el que estas estructuras fueron construidas, otras fuentes2 citan las panémonas chinas como existentes desde el año 400 d.C., es decir cuatro siglos antes, pero la realidad es que no se ha podido determinar fehacientemente al carecerse de documentación que lo avalara.

2. M olinos Previos

al

Renacimiento

Sea cual fuera el origen primigenio de los molinos de viento, desde las tierras orientales los molinos de viento se extendieron durante los siglos siguientes a Europa, zona que desde ese momento tomó el rol de líder en el desarrollo de este tipo de máquinas. Esta penetración se produjo a través de dos vías. La abierta por la civilización islámica, a través del Mediterráneo, y hasta la mitad Sur de nuestra Península Ibérica, y la que surgió, probablemente, con la vuelta de los Cruzados desde Tierra Santa hasta la zona de Bretaña, Países Bajos e Inglaterra. En el caso de la primera vía, existe un hecho importante y es que –de nuevo aquí surge la polémica por dilucidar cuál y quién fue el primero, aunque la obviaremos– se tiene constancia por primera vez de la existencia de molinos de viento de eje horizontal. Particularmente en la Isla de Creta, y especialmente en la Meseta de Lassithi. Es en esta misma región, 2 Forbes, Robert J., Studies in ancient Technology

HISTORY IN A WHIRL

Other sources2, discussing the originality or otherwise of these structures for their intended purpose, cite the panemones claimed to have existed in China from around 400 CE, i.e., four centuries earlier. That contention has not been reliably documented, however.

2. Pre -Renaissance W indmills Wherever their actual origin might have been, in the centuries that followed windmills travelled west to Europe, the continent that from then on played the lead role in their development. Two vehicles carried them westward. One was the spread of the Muslim civilisation across the Mediterranean Sea to the southern half of the Iberian Peninsula, and the other the experience of the crusaders returning from the Holy Land to Brittany, the Netherlands and England. Significantly, the former vehicle (ignoring, here also, the controversy around what and who came first) left the earliest record of the existence of windmills with a horizontal axis. The evidence lies on the Island of Crete and more specifically on the Lassithi Plain, home to the Dikteon Cave, the legendary birthplace of Zeus, cited in Chapter 1 of this book as the god who appointed Aeolus as ruler or guardian of the winds. It was there as well, perhaps not coincidentally, where centuries later pioneering machines came to form an essential part of the landscape. In the late nineteenth and early twentieth centuries the region boasted upward of 10 000 mills, used primarily to pump water for irrigation. Their most characteristic element was their horizontal axis rotor fitted with sailwings, i.e., lengths of cloth attached to the rotor blades. One of the advantages of this arrangement was that it afforded a straightforward system for regulating rotational speed, by simply furling or unfurling the sails as needed. The original timber tripod base evolved over the centuries into more or less sturdy rubble masonry towers and, in some of the more modern renditions, to slender steel structures . 2 Forbes, Robert J., Studies in ancient Technology

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CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

y me permito un paréntesis, donde se encuentra la Cueva Dikteon, lugar de nacimiento de Zeus, quien ya ha sido citado en el capítulo 1 de este libro, como el Dios responsable de otorgar a Eolo su papel de guardián de los vientos. También fue allí, quizás por algo más que la casualidad, donde siglos más tarde, pioneras máquinas llegaron a formar parte sustancial del paisaje, llegando a juntarse a finales del sigo XIX o primeros del XX en un número superior a los 10 000, que eran utilizadas fundamentalmente para riego. Común a todas ellas, el mencionado rotor de eje horizontal, con aspas formadas por velas, en definitiva telas que se ataban a los palos del rotor. Ya aquí aparece también un sistema de regulación de la velocidad de giro, a través de recoger o soltar vela. El conjunto originalmente se montaba sobre un sencillo trípode de madera, aunque posteriormente, y a lo largo de los siglos, este sustento fue cambiando, pasándose por torres más o menos robustas de mampostería y hasta esbeltas estructuras metálicas en algunos casos más modernos. De aquella concentración, a día de hoy, solo queda el reclamo en las guías turísticas pues además de haberse reducido enormemente el número de máquinas, el estado de las pocas existentes no es el óptimo, como atestiguan las figuras 2 y 3. Afortunadamente, hoy en día existe una corriente con interés renovado en la restauración de estas estructuras que devolvería a la Meseta de Lassithi, al menos parcialmente, esta innegable riqueza patrimonial como se aprecia en la figura 4. La cuenca inferior del Mediterráneo, y particularmente la Península Ibérica, no fueron inmunes a la expansión de los molinos de viento. Además, en cada emplazamiento se fue desarrollando técnicamente para su mejor adaptación a las características de cada entorno: las regiones de la Andalucía, Murcia, La Mancha, Portugal, Galicia, Islas Canarias y otras son testigos de estas ricas variaciones. Y obras maestras como el Libro de Buen Amor3 y El Ingenioso Hidalgo don Quijote de la 3 El Libro de Buen Amor, novela autobiográfica ficticia de D. Juan Ruiz, Arcipreste de Hita, denomina atahonas a los molinos de viento

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Today, the remains of that huge wind farm are no more than a tourist attraction, for not only has the number of machines declined steeply, but the ones still standing are in less than optimal condition, as Figures 2 and 3 shows. Fortunately, interest in restoring these structures is growing today with a view to at least partially recovering this historical treasure and essential element in the Lassithi Plain heritage (Fig. 4). The spread of windmills was not foreign to the lower Mediterranean basin or to the Iberian Peninsula in particular. Moreover, the technology was adapted to the conditions prevailing at each site: the machines used in Portugal and the Spanish regions of Andalusia, Murcia, La Mancha, Galicia and the Canary Islands bear witness to the breadth of that variety. And references to windmills are to be found in masterworks such as The Book of Good Love 3and famously in The Ingenious Gentleman Don Quixote of La Mancha4. Beginning in the twelfth century, returning crusaders favoured the rapid expansion of windmills across northwestern Europe: Brittany, Normandy, England and most predominantly the Netherlands. Significant innovations such as gears, whereby the motion induced by the primary energy could be transferred from the main to a second axis, were introduced in that period. Nonetheless, due to the limitations of the materials used (mostly wood) and the deep fourteenth-century recession prompted by the accumulation of vast public debt, wind technology languished, hibernating for decades. The boost that windmills needed to transition from craft to industry would come in two subsequent periods: the Renaissance and the Industrial Revolution, discussed below in chronological order. 3 In Spanish, El Libro del Buen Amor, fictional autobiography of Juan Ruiz, Archpriest of Hita. In it windmills are given the same name as the horsedrawn kind, atahona, a word also used to mean a bread bakery. 4 Cervantes’s immortal novel, in Spanish El Ingenioso Hidalgo don Quijote de la Mancha, published in 1605 and 1615, narrates the misadventures of an impoverished gentleman from that region of Spain who, among others, fought an epic battle with windmills, taking them for giants with arms ‘nearly two leagues’ long.


IV. UN SOPLO DE HISTORIA

Mancha4 incluyen, como es sabido, algunas referencias. Mientras tanto, en Europa, a partir del siglo XII, los molinos de viento se extienden rápidamente por la segunda de las vías mencionadas anteriormente: Bretaña, Normandía, Inglaterra y, muy fundamentalmente, los Países Bajos. Aunque durante esta época se producen innovaciones importantes, como es la importantísima aparición del engranaje, que permite trasladar el movimiento del eje de la fuente de energía a otro, las limitaciones de los materiales de la época –fundamentalmente madera– y la importante recesión que se inicia en el siglo XIV, consecuencia de la enorme deuda pública que en aquellos tiempos, también, se había adquirido, hacen que la tecnología eólica quedara momentáneamente aletargada en una suerte de hibernación. Dos épocas servirán para dar el impulso que los molinos eólicos necesitaban para pasar de fenómeno artesanal a proceso industrial: El Renacimiento y la Revolución Industrial. Comencemos por la primera.

3. La Transformación Renacentista Aunque más conocido por ser un movimiento innovador que impacta en las Artes, esta corriente tuvo una importancia capital en la renovación de las Ciencias. El crecimiento demográfico, una vez finalizada la recesión, así como las relaciones comerciales a gran escala que fueron iniciadas en aquella época, tras el “descubrimiento” de territorios lejanos, hicieron necesario un replanteamiento de algunos de los métodos de producción hasta la fecha instaurados. Aunque no siempre resulta conocido, en mi opinión bien podría decirse que la industrialización empezó en este periodo de la historia. Las técnicas ya conocidas fueron perfeccionadas, contándose además con la paulatina aparición del hierro como material 4 El Ingenioso Hidalgo don Quijote de la Mancha, escrita en 1605 y 1615 narra las peripecias de un pobre hidalgo manchego, quien entre otras andanzas libró una épica batalla contra molinos de viento, al ser confundidos éstos con gigantes de brazos “de casi dos leguas” de largos

3. Transformation

in the

HISTORY IN A WHIRL

Renaissance

While its innovative impact on the arts is better known, this period was also of cardinal importance for the renovation of science. Post-recession population growth and the widescale trade initiated in that age after the ‘discovery’ of distant territories generated a need to rethink some of the production methods in place until that time. Although not often acknowledged, in this author’s opinion industrialisation could well be said to have begun in that period of history. Known techniques were perfected and iron gradually took the place of the wood formerly used to make mechanical parts. With the resulting enhancement in performance and capacity, machines in general began to acquire greater weight in everyday life. Windmills, of course, were not unaffected by these developments. The creativity that arose in this period merits mention, even though some of the machines imagined were never built. In addition to their traditional use to grind grain and pump water, windmills were designed (and often actually used) to power saws to cut timber, manufacture paper pulp or gunpowder or press or process oil. They were also applied to other purposes, specifically on the shores of the North Sea, where their extraordinarily important role is described in greater detail below. In the seventeenth century mills began to be used in a way that would change the history of the region. Thanks to them, countless polders (a word derived from the Dutch pol, meaning alluvial land) could be drained. These tracts of land of variable dimensions consisted in a perimetric dike and an orderly system of inner roads and canals forming the bounds of a web of elongated lots5. This type of artificial retaining structures enabled local farmers to reclaim and till the lacustrine beds (initially sunken under a layer of water around 50 cm 5 Esquinas Territoriales, PhD. thesis by Joan Moreno Sanz, Department of Urban and Land Use Planning, Polytechnic University of Catalunya (UPC). Supervisor: Estanislao Roca i Blanch

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CON EL VIENTO A FAVOR

โ€ข

WITH A FAIR WIND

(izquierda y centro / left and centre)

(derecha / right)

Figs. 2 y 3. Molinos en la isla de Creta Figs. 2 and 3. Windmills on Crete

Fig. 4. Molinos histรณricos en la Meseta de Lassithi Fig. 4. Remains of historic windmills on the Lassithi Plain

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IV. UN SOPLO DE HISTORIA

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CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

constituyente de elementos mecánicos en lugar de las piezas de madera con las que hasta la fecha se habían fabricado. El incremento en los rendimientos y capacidades de las máquinas consecuencia de este hecho, hizo que las máquinas en general fueran adquiriendo un mayor peso en la vida cotidiana de la sociedad de la época. Y los molinos de viento, naturalmente, no fueron ajenos a este fenómeno, aflorando en este periodo una creatividad tal que, incluso cuando algunas de estas máquinas no llegaron a ser construidas, merece ser la pena recordada. Entre los usos proporcionados a los molinos de viento –y en muchos casos realmente utilizados– figuraban los clásicos de moler grano y bombear agua, pero también otros como dotar de movimiento a sierras para corte de madera, fabricación de pasta de papel o pólvora, prensas de aceite y otros tan importantes como el siguiente que a continuación se menciona, el cual por su importancia merece la pena que le dediquemos unos párrafos exclusivos, y que tiene lugar a orillas del Mar del Norte. En efecto, es en el siglo XVII cuando en los Países Bajos se empieza a dar un uso a estos molinos que cambiará la historia de la región. Gracias a ellos se conseguirán desecar innumerables pólders –término que deriva del neerlandés pol, que significa terreno aluvial– porciones de terrenos de dimensiones variables formados por un dique perimetral y un sistema regular de carreteras y canales interiores que delimitan una retícula de parcelas alargadas5. Este tipo de estructuras artificiales de contención permitían recuperar para uso agrícola los lechos lacustres del delta neerlandés, formado por la desembocadura de tres de los principales ríos europeos –Rin, Mosa y Escalda– y cubierto originariamente por una lámina de agua de unos 50 cm de profundidad. 5 Esquinas Territoriales. Tesis Doctoral de Joan Moreno Sanz. Departamento de Urbanismo y Ordenación del Territorio de la Universidad Politécnica de Catalunya, UPC. Director de Tesis: Estanislao Roca i Blanch

Fig. 5. Formación de un polder Fig. 5. Polder formation 94

deep) in the Dutch delta, formed by the mouths of three major European rivers, the Rhine, the Mouze and the Scheldt. Delta ‘polderisation’ began with its colonisation, at first via essentially manual mechanisms. Its gradual subsidence, induced from the outset by the dehydration and consolidation of the underlying peat, continues today, necessitating – then and now – new mechanisms to raise the excess water to the altitude of the river beds. As noted, these draining mechanisms were initially manual and the size of the farming patches or polders depended on each farmer’s individual capacity. Such early tracts with variable depths of topsoil were positioned along the dikes that restrained the rivers and extended inland with practically artisanal methods. It was in the seventeenth century, with the advent of the use of windmills in conjunction with cartography, that the vast inland lakes could be reclaimed, forming what are known as lake polders (Fig. 5). Pumping the water to higher levels, the windmills became the primary tool for draining the delta from the seventeenth through the eighteenth centuries. [The structure of the Dutch drainage mills followed a standard design from which they seldom deviated: brick or stone found-


IV. UN SOPLO DE HISTORIA

Aunque la polderización del delta es un fenómeno tan antiguo como la propia colonización, mediante mecanismos básicamente manuales en su origen, la existencia de un fenómeno denominado desiliencia, o descenso del nivel del terreno como consecuencia de la deshidratación y compactación de la turba subyacente, hace que el delta neerlandés comience desde bien pronto un progresivo hundimiento, proceso que dura hasta nuestros días. Por este motivo, fueron y son necesarios nuevos mecanismos que permitan elevar el excedente de agua a la altura de los cursos fluviales. Como se comentaba anteriormente, en un principio estos mecanismos de drenaje eran manuales y las dimensiones de las parcelas agrícolas o pólderes dependía de la capacidad individual del agricultor. Estos primeros pólders de turba se disponían a lo largo de los diques de contención fluvial y se extendían con profundidades variables hacia el interior del territorio, con un procedimiento casi artesanal. Fue justamente gracias a los molinos de viento, en conjunción con los sistemas de cartografiado, cuando a partir del siglo XVII se inicia la recuperación de los grandes lagos interiores, los conocidos como pólders de lecho lacustre (fig. 5). Estos molinos permitían transferir

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ations, timber tower, wide (up to 30 m) sails and attachment of the main horizontal axis or windshaft via gears to the upright shaft running along the vertical axis of the structure, where it was coupled to the pumping mechanism. Although tower mills had been used for centuries, it was in this period that their construction was most profuse. The increase in size of these structures posed a problem that would be a constant throughout their history: orienting the rotor (the set of sails) proved to be a difficulty with no obvious solution. That may be why for a long time they co-existed with vertical axis machines which, while less efficient, obviated the problem.

4. The Golden A ge of Traditional W indmills The eighteenth century was characterised by enormous progress in windmill technology, particularly from the theoretical standpoint. While not constituting the earliest records on the techniques used, the documents published in the seventeen hundreds addressed many technical considerations absent in prior writings, such as rotor performance, lift angle optimisation or axis slope to name a few. That research can unques-

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CON EL VIENTO A FAVOR

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el flujo de agua a niveles superiores, convirtiéndose de esta manera en el principal instrumento para el drenaje del delta durante este siglo XVII y también el siguiente. Los molinos que se empleaban en estas tareas en los Países Bajos tenían un sistema estructural claro, del que pocas veces se apartaron: cimentación en ladrillo o piedra, estructura de madera, aspas de gran diámetro –hasta 30 m– y unión del eje principal horizontal mediante engranaje a un eje vertical longitudinal a la estructura del molino, donde se acoplaba al mecanismo de bombeo en cada caso. Aunque los molinos torre habían sido utilizados desde épocas pretéritas, esta fue una época en la que se desarrollaron con profusión. El aumento del tamaño de estas estructuras trajo consigo un problema que fue una constante a lo largo de una buena parte de la historia: la dificultad de orientación del rotor –conjunto de las palas– constituía un difícil nada obvio de resolver. Es quizás este hecho el que hizo que durante mucho tiempo siguieran conviviendo con máquinas de eje vertical, menos eficientes pero que no adolecían de este problema.

4. La E dad

de

O ro

de los

M olinos C lásicos

El siglo XVIII fue un siglo que se caracterizó por los grandes avances, sobre todo en el plano teórico, de los molinos de viento. Si bien no representaban, ni mucho menos, las primeras publicaciones que describían las distintas técnicas que se empleaban, sí era la primera vez que se iba más allá en aspectos mucho más técnicos como el rendimiento de los rotores, la optimización de los ángulos de ataque, inclinaciones del eje y otros tantos que serían. Se puede decir que estas investigaciones, sin duda, constituyeron parte del germen que, unos dos siglos más tarde, do lugar a la aparición de la industria eólica tal y como la conocemos hoy en día. Si hubiera de destacarse un autor entre otros, a riesgo de ser injusto con la historia, quizás el ingeniero civil británico John Smeaton, podría ser el elegido. A él le debemos las primeras 96

Fig. 6. Primer molino de viento automatizado diseñado por Edmund Lee Fig. 6. First automated windmill design by Edmund Lee


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CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

demostraciones de hechos nada evidentes a ojos de profanos –y también a los no tanto, no nos engañemos– como el que los rotores con mayor número de palas no tienen por qué proporcionar más potencia a coste competitivo o el que constituye quizás la base del funcionamiento de la captación energética de un aerogenerador, según el cual el empuje del viento no depende tanto de la superficie de las palas, sino del área total barrida por las mismas en su movimiento de rotación en torno al eje. Y volviendo a la problemática histórica de la orientación del rotor, este siglo también fue el que trajo el primer sistema que automáticamente corregía la posición del mismo. Fue otro inglés, en este caso el herrero Edmund Lee, quien dio la posibilidad de que un molino de viento pudiera prácticamente dejarse desatendido, al menos en cuanto a los cambios en la dirección del viento respecta. El invento, como puede verse en la figura 6, constaba de un rotor auxiliar, ubicado corriente abajo y perpendicular al principal, que era accionado por el viento cuando la orientación no era la adecuada. En ese caso, el sistema contaba con el empuje y energía suficientes para movilizar una rueda que hacía girar al molino, dejándolo perfectamente orientado perpendicularmente al viento. A partir de ese momento, y durante el final del siglo XVIII, principios del XIX y hasta que la Revolución Industrial dio un nuevo giro a la industria, se puede decir que los molinos de viento tradicionales vivieron su época de oro. Para ilustrar con algún número esta afirmación, mostrar que en la época de mayor esplendor habían unos 8 000 molinos de viento operativos en Holanda, entre tres y cuatro veces más que en la actualidad, unos 9 000 molinos de viento operativos en el Reino Unido, una vez y media más que en la actualidad, 8 700 molinos de viento operativos en Francia, casi el doble que en nuestros días, 18 000 molinos de vientos operativos en Alemania, cifra comparable con la actual de este gigante eólico mundial… En todo Europa llegaron a haber en funcionamiento unos ¡200 000! molinos de viento, muchos más que los que hoy en día existen.

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tionably be said to constitute the kernel which, two centuries later, gave rise to the wind industry as we know it today. If any one eighteenth century author were to be singled out for his achievements, at the risk of committing historic injustice, British civil engineer John Smeaton might be distinguished above all his contemporaries. To him we owe the earliest demonstrations of facts much less than obvious to anyone with mere lay knowledge (or, in all honesty, to many with more than just that). He showed that rotors with a larger number of blades do not necessarily deliver more power at a competitive cost and established one of the fundamental premises of efficient wind turbine operation: that wind thrust depends less on the area of the blades than on the total area swept as they rotate around the axis. Coming back to the historical rotor orientation problem, the eighteenth century also saw the first system able to automatically correct rotor position. Another Englishman, Edmund Lee, devised a way for windmills to operate virtually unattended, at least as far as changes in wind direction were concerned. His invention, shown in Figure 6, consisted in a wind-driven ancillary rotor located downstream of and perpendicular to the main axis. The system yielded sufficient thrust and energy to drive a wheel that turned a misaligned shaft to a position perfectly perpendicular to the wind. The interim between the introduction of that innovation and the late eighteenth-early nineteenth centuries, when the Industrial Revolution steered the industry in yet another direction, can be regarded as the golden age of traditional windmills. By way of illustration, in that age of maximum splendour, around 8 000 mills operated in the Netherlands, three to four times more than at present; some 9 000 were being used in the United Kingdom, one-and-a-half-fold more than today; France had 8 700, nearly double the current figure; and Germany boasted 18 000, a number comparable to that wind powerhouse’s present stock. Europe as a whole had immeasurably more than today - an amazing 200 000!


IV. UN SOPLO DE HISTORIA

5. La R evolución I ndustrial Aunque hasta mediados del siglo XIX, los molinos de viento siguieron su progreso técnico, casi ajenos a lo que la Revolución Industrial tramaba, llegó un momento que, lastrados por su complejidad, intermitencia y potencia, sucumbieron ante los nuevos y pujantes inventos energéticos que la máquina de vapor trajo consigo. Sin embargo, lejos de suponer su final, todavía dentro del siglo XIX, y recordando al mito del ave fénix, la energía eólica se reinventa mediante nuevas máquinas, con diseños distintos, en los que ahora sí se ponían en práctica muchas de las ideas anteriormente desarrolladas únicamente en el plano teórico. Estos diseños, además, se adaptaban a los nuevos métodos de producción que la Revolución Industrial había traído –iniciándose así en la industria eólica la fabricación en serie– y también a las nuevas necesidades –circunscribiéndose en primer lugar a aquellas zonas rurales donde las ventajas de la industrialización no habían llegado. De esta época son las bombas eólicas que, a través de rotores multipala, proliferaron tanto en el oeste americano, donde desempeñaron un papel fundamental en su colonización, como en otras partes del mundo como Australia o África. Si bien la primera máquina de este tipo fue ideada por el ingeniero norteamericano Daniel Halladay, particularmente conocido y de enorme profusión resultó el modelo Perry. Thomas O. Perry, ingeniero contratado por Halladay en la empresa de este último, US Wind Engine Company, como ingeniero responsable de llevar a cabo un análisis más riguroso de los diseños iniciales, desarrolló un sistema que mejoraba notablemente su eficiencia. La compañía de Halladay, en lo que se demostró un importante error a posteriori, fue reacia a invertir en este rediseño, por lo que Perry fundó una nueva empresa, Aermotor Company, desde donde nuevo modelo se desarrolló con enorme profusión, llegándose a vender más de 6 millones de unidades en todo el mundo, y siendo así, hasta la fecha, el molino de viento más vendido de la historia, con gran diferencia (fig. 7).

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5. The I ndustrial R evolution Although until the mid-nineteenth century, the technical developments that drove progress in windmill design were largely marginal to the Industrial Revolution per se, under the weight of their complexity, intermittency and lesser power, these machines ultimately yielded to the new approaches to energy inspired by the advent of the steam engine.

Fig. 7. Modelo Perry de rotor multipala Fig. 7. Perry’s multi-blade rotor windmill 99


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Fig. 8. Primer aerogenerador eléctrico danés

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Fig. 8. The world’s first wind turbine, in Denmark


IV. UN SOPLO DE HISTORIA

Aunque es claro que estas turbinas multipala fueron las que iniciaron el camino hacia un concepto de máquina eólica más tecnificado, tal y como lo conocemos hoy en día, no cabe duda que sus posibilidades de ir más allá en el mercado energético eran muy limitadas. Fue en el viejo continente, donde el viento había sido históricamente considerado como una fuente general de energía, donde se inició la carrera hacia la energía eólica tal y como hoy se concibe. Y dentro del mismo, el papel estelar le correspondió a Dinamarca, pues fue el país que inició las investigaciones en este campo, apoyándose para ello en la figura del profesor Poul la Cour. Fue él, figura clave en el desarrollo de la energía eólica tal y como se conoce hoy en día, quien en el marco de estas investigaciones, y tras algunas pruebas, acabó diseñando la primera máquina que utilizaba la energía eólica para generar electricidad, es decir el primer aerogenerador eléctrico (fig. 8).

6. E l S iglo XX: La A erodinámica …y

la

Geopolítica

El siglo XX trajo consigo, entre otras cosas, el desarrollo de la aerodinámica, es decir la mecánica de fluidos que estudia las acciones que aparecen sobre los cuerpos sólidos cuando se produce un movimiento relativo entre el mismo y el gas que los rodea. Gracias a la misma finalmente se llegó a comprender el comportamiento dinámico de las fuerzas que actuaban sobre las turbinas. De este modo, se empezaron a aplicar en las palas de las turbinas eólicas los mismos perfiles aerodinámicos que los utilizados en la industria aeronáutica, de tal forma que las velocidades de rotación –y consecuentemente los rendimientos– aumentaron considerablemente. Sin embargo, esto no fue suficiente para que en cierto modo, la utilización de turbinas eólicas como fuente de energía, fuera muy dependiente de aspectos geopolíticos relacionados sobre todo con el petróleo. En épocas en la que este combustible fósil estaba disponible y a buen precio, sin que la dependencia energética de un país resultara un problema, la búsqueda de energías alternativas se veía claramente frenada. Por el

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Nonetheless, during the nineteenth century, like the phoenix, wind energy revivified with new machines and different designs that implemented many of the ideas previously developed in theory only. Moreover, those designs were adapted to the new methods, such as mass production, introduced by the Industrial Revolution, as well as to new needs, with use being oriented primarily to rural areas that had not yet reaped the benefits of industrialisation. This was the age of wind pumps which, with their multiblade rotors, proliferated in Australia, Africa and especially the western United States, playing an instrumental role in the colonisation of that territory. While the first machine of this type was devised by Daniel Halladay, the Perry model proved to be particularly successful. Thomas O. Perry, hired by Halladay as chief engineer at his US Wind Engine Company and entrusted with conducting a more rigorous analysis of the initial designs, developed a system that improved their efficiency considerably. When Halladay’s company, committing what time would show to be a historic error, refused to invest in his design, Perry founded his own firm, the Aermotor Company, to develop it. The new model (Fig. 7) became enormously popular, selling over six million units worldwide and holding to this day the world record for windmill sales, far and away more than any other such machine. While these multi-blade mills clearly blazed the trail for today’s more technological wind machines, their potential to make further strides into the wind energy market were obviously limited. It was on the Old Continent, where wind had been historically regarded as a general source of energy, where the race to harness wind energy as it is known today began. And in Europe, Denmark pioneered research in the field under the leadership of Professor Poul la Cour, a key figure in the development of wind energy as it is known today. After a few trials conducted in the context of his research, he also designed the first machine able to use wind power to generate electricity, i.e., the first wind generator (Fig. 8). 101


CON EL VIENTO A FAVOR

•

WITH A FAIR WIND

6. The Twentieth C entury : Aerodynamics ... Geopolitics

and

One of the many developments that came in the wake of the twentieth century was the introduction of aerodynamics: the area of fluid mechanics that studies the forces acting on bodies generated by the relative motion between them and a surrounding gas. Thanks to those studies, the dynamic behaviour of the forces acting on turbines was finally understood. Hence, the same aerodynamic profiles used in the aeronautics industry began to be applied to wind turbine blades, substantially raising rotating speed and consequently performance. That did not suffice, however, to free the use of wind turbines as a source of energy from geopolitical considerations, especially in connection with the oil industry. In periods when that fossil fuel was plentiful and inexpensive, the quest for alternative energies stalled, for a country’s energy dependence posed no particular problem. The local development of other sources was only driven when political crises created a need for alternatives in which wind, logically, played a prominent role. That was the pattern for much of the twentieth century, until 23 August 1973 when the world was battered by what has come to be known as the first oil shock. On that day, the OPEC (Organisation of the Petroleum Exporting Countries) decided to cease to export oil to any country that had supported Israel in the Yom Kippur War against Syria and Egypt. That measure inadvertently provided western countries with a decisive incentive to develop renewable energy in general and wind energy in particular, an issue that has been on the political and economic agendas ever since. The need to protect our planet from the harmful emissions attendant upon the use of fossil fuels and the increasingly competitive price of renewables have done the rest. Wind energy now carries substantial weight in the energy mix of many developed countries, and affords an exceptional opportunity for developing nations. 102


IV. UN SOPLO DE HISTORIA

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contrario, cuando las crisis políticas hacían que un país tuviera que buscar nuevos suministros alternativos, se daban nuevos impulsos al desarrollo de energías alternativas locales, lógicamente ocupando la eólica un papel importante entre ellas. Así, a impulsos, transcurrió buena parte del siglo XX, hasta que el 23 de Agosto de 1973 comenzó la llamada Primera crisis del petróleo. Aquel día, la OPEP (Organización de Países Exportadores de Petróleo) decidió dejar de exportar petróleo a todos los países que habían apoyado a Israel en la guerra del Yom Kippur contra Siria y Egipto. Esta medida constituyó, sin quererlo, el espaldarazo definitivo al desarrollo de las energías renovables en general, y particularmente de la eólica, en los países occidentales, pues a partir de ese momento el mismo fue ya una constante hasta nuestros días. La necesidad de preservar nuestro planeta de las nocivas emisiones que se producen con la utilización de combustibles fósiles junto con una competitividad excepcional en precio que poco a poco se ha ido alcanzando, han hecho el resto, constituyendo la eólica una energía con un peso primordial en la matriz energética de una buena cantidad de países desarrollados y en vías de desarrollo, así como una oportunidad excepcional para los países que aún no lo están.

7. S tate -of-play

7. Panorama A ctual

Wind installations hit a record high in 2014, with yearly growth rebounding to a rate comparable to earlier levels for the fist time in many years. Installed capacity rose by 51 GW in that year, for a total of 370 GW worldwide.

Al día de hoy se vive un panorama energético confuso, reflejo claro de la geopolítica actual, puesto que absolutamente todas las economías, sin excepción, funcionan a base de energía, consecuencia de lo cual las políticas de las grandes potencias que dominan el mundo son una lucha por los recursos energéticos. El panorama eólico no es ajeno a esta convulsión y las tasas de crecimiento iniciales que se vivieron en el final de la década de los 90 hasta casi el final de la primera década de este siglo, se han visto frenadas. No olvidemos que, para empezar, y además de errores propios que también los hay, en muchas ocasiones las energías renovables sufren una feroz y rígida oposición de las empresas eléctricas, pues sus modelos de negocio están

in the

Twenty -First C entury

Today’s confused energy scenario mirrors its messy, economydriven geopolitics, logically enough because energy lies at the base of all economies without exception. Unsurprisingly, then, the policies implemented by the world’s predominant powers consequently revolve around the effort to secure a reliable supply of energy. The wind industry is not unaffected by this turmoil and the initial growth rates recorded from the late nineteen nineties until nearly the end of the first decade of this century have stymied. In addition to the industry’s own errors, renewables are often confronted with fierce and rigid opposition from generating companies, whose business models they alter. That opposition sometimes casts a long and unfair shadow over the political debate on renewables, ultimately affecting public opinion and its perception of alternative energies. Certain European countries today provide a clear example of political manoeuvring around the price of electricity, with wind power often unjustly blamed for rising prices. Actually, however, the cost of wind energy has continued its downward slide and, from the standpoint of the resource itself, would be able to supply seven times worldwide energy demand.

With wind energy performing as one of the highest growth renewables in recent history, the trend, technologically speaking, has been to develop ever more powerful turbines with increasingly larger blades to raise electric power output and enhance generating efficiency. Most wind turbine manufacturers (only a few of which are shown in the photographs) make 3-MW machines and larger (up to an extreme of 8 MW, although these have yet to be commercialised), fitted with rotors 120 m (and up to 170 m) in diameter that sweep twice 103


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viéndose alterados. Esta oposición proyecta, también en ocasiones, una alargada e injusta sombra en el debate político que acaba calando a la sociedad, influyendo en la percepción que la misma tiene de las energías alternativas. Al día de hoy algunos países europeos son un claro ejemplo del juego político en el que sea convertido el precio de la electricidad, llegando a ser la energía eólica, muchas veces injustamente, culpada por el alza de los precios. Sin embargo, la realidad es que al día de hoy la energía eólica, sigue montada en su propia espiral de bajada de costes que, y desde el punto de vista del recurso, sería capaz de proporcionar 7 veces la demanda energética de toda la tierra. El año pasado, 2014, sin ir más lejos, fue el año de mayor instalación eólica de la historia, llegándose a una tasa de crecimiento en la instalación anual que hacía mucho tiempo que no se veía. Este buen año hizo que la capacidad instalada aumentara en más de 51 GW, alcanzándose de esta manera los 370 GW instalados en el mundo. En cuanto a la tecnología, y consecuencia de haber sido la energía eólica una de las energías renovables que ha tenido un mayor crecimiento en los últimos años, la tendencia ha sido el desarrollo de turbinas cada vez de mayor potencia y palas cada vez más grandes que permitan alcanzar nuevos niveles de generación eléctrica y eficiencia. A este respecto, la mayoría de fabricantes de aerogeneradores –se muestran en las siguientes fotografías solo algunos de ellos- cuentan ya con máquinas que alcanzan y superan los 3 MW de potencia (llegándose en algún caso extremo, aunque no comercial todavía, hasta los 8 MW) y los 120m de diámetro de rotor (llegándose hasta los 170m), que abarca dos veces la longitud de la pala más el diámetro del hub o buje, pieza donde se ensamblan estos componentes). Por países, durante los últimos años, y en el marco del proceso de búsqueda de una menor dependencia energética de países vecinos por parte de China, es este país el que se ha convertido en el líder absoluto en potencia eólica instalada en el mundo, y donde prácticamente uno de cada 3 MW eólicos se ubica allí. A 104

Fig. 9. Actuales aerogeneradores de grandes pontencias Fig. 9. Today’s giant wind turbines


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distancia, con apenas un 17% de la cuota de mercado, Estados Unidos ocupa el segundo lugar, mientras que las dos antiguas potencias mundiales, Alemania y España, mantienen la tercera y cuarta posición. El último caso es un paradigma de cómo las políticas estatales, a través de desafortunadas decisiones que traen inasumibles incertidumbres al inversor, pueden llegar a hundir una industria pionera y referente a nivel mundial. Tristemente, de seguir así, nuestro país será sobrepasado en muy poco tiempo por un buen número de países que le vienen a la zaga (India, Reino Unido, Canadá, Francia y Brasil entre otros). La aparición de Asia prácticamente monopolizando el crecimiento (más de un 85% del mismo durante los próximos 20 años vendrá de la región Asia-Pacífico y, por ejemplo, ya en el 2014 sólo China puso en servicio casi la mitad de la potencia que se instaló en todo el mundo), la autosuficiencia energética estadounidense a través de los recientemente descubiertos grandes yacimientos de gas y petróleo de esquisto, explotados mediante novedosas técnicas de fracking, la demanda energética india, la incógnita de Brasil como líder energético en Latinoamérica, la dependencia de Rusia de la exportación de energía….son solo algunos de los principales asuntos que los dirigentes mundiales deberán afrontar en el futuro. Y aunque este capítulo trata de la historia, y por tanto del pasado, no me resisto a rematarlo sin una opinión acerca del futuro en cuanto a las posibilidades de que la demanda energética quede cubierta por energías renovables. Si pretendemos mantener nuestro planeta en funcionamiento durante algunos siglos más, en unos cuantos años –probablemente un buen número de décadas o un reducido número de centenas- no hay otra posibilidad que la totalidad de la energía consumida provenga de fuentes renovables. Y dentro de ellas, no me cabe duda que la cuota debida al viento será muy importante. Tenemos, por tanto, enfrente, un panorama muy alentador para seguir mirando al futuro con la ilusión con la que cada día los que trabajamos en el sector lo hacemos. Y el éxito dependerá, en buena medida, de nosotros.

HISTORY IN A WHIRL

the length of the blades plus the hub, the part on which these components are assembled). By country, China, against a backdrop of its pursuit of lesser energy dependence on its neighbours, has recently become the absolute world leader in wind power, accounting for nearly 1 of every 3 GW installed. At a considerable distance, the United States ranks second with barely 17 % of the market, while the two former world powers, Germany and Spain, stand in third and fourth positions. Spain constitutes a paradigm of how state policy, translated into unfortunate decisions that generate uncertainties impossible for investors to assume, can ruin a pioneering, world benchmark industry. Sadly, unless things change, the country will soon be outdistanced by ambitious rivals such as India, United Kingdom, Canada, France or Brazil. Asia’s virtual monopoly on growth (the Asia-Pacific region will account for over 85 % in the next 20 years: in 2014 nearly half of the new power installed worldwide was commissioned in China); energy self-sufficiency in the US thanks to the innovative fracking techniques introduced to exploit the country’s recently discovered huge shale gas and oil reserves; India’s growing energy demand; Brazil’s uncertain status as energy leader in Latin America; and Russia’s dependence on energy exports are but a few of the issues that world leaders will be facing in future. And although this chapter is about history and consequently the past, the temptation to conclude with a word or two about the coverage of future energy demand with renewables can hardly be resisted. If the aspiration is to ensure an operational future for our planet for a few more centuries, within a fairly short time (in all likelihood, several decades or a very few hundred years), the only option is for all the energy consumed to come from renewable sources. And wind will certainly account for a sizeable share of that mix. The prospects, then, are highly promising and all of us who engage in the industry have reason to view the future with optimism. Success, in the end, will depend largely on us. 105


106


V. EL PANORAMA ENERGÉTICO ACTUAL Y LA IMPORTANCIA DE LA EÓLICA ENERGY TODAY AND THE ROLE OF WIND ALBERTO CEÑA

1. E l A bastecimiento E nergético C onfiable y Seguro , C lave para el Desarrollo S ocial

1. S afe and Reliable Energy Supply , K ey Development

El objetivo de garantizar un suministro energético confiable y a un precio adecuado para el consumidor final tiene unas importantes implicaciones técnicas, regulatorias y económicas que afectan a toda la cadena de suministro desde producción hasta el consumo pasando por el transporte y la distribución (ver fig. 1 para el sector eléctrico). La tarea no es sencilla pues existen multitud de condicionantes políticos y económicos pero la experiencia demuestra la importancia de actuar de forma prudente, tanto por parte del regulador como de los agentes y aprender de la experiencia propia y ajena. En este capítulo se presentan algunos de los elementos claves del suministro eléctrico, desde la perspectiva y la experiencia del autor evidentemente.

The significant technical, regulatory and economic implications of guaranteeing a reliable flow of affordable energy affect the entire supply chain, from production through end consumption and including transmission and distribution (see Fig. 1 for the electricity industry). Although ensuring supply is far from simple in light of the bevy of political and economic conditioning factors in place, experience has shown the importance of prudent action on the part of both regulators and the market agents involved and of learning from one’s own and others’ past decisions and actions. This chapter addresses some of the key elements of electric power supply based, obviously, on the author’s personal perspective and experience.

1.1 Las tecnologías del abastecimiento eléctrico. Los marcos regulatorios de apoyo a las energías renovables en la UE La mitad del siglo pasado se caracterizó por la entrada de la electricidad nuclear que complemento a las centrales hidráulicas y a las térmicas de fuel y carbón. Su funcionamiento en base no alteró de forma substancial la forma de operar los sistemas eléctricos mundiales, aunque incrementó las necesidades de reserva ante el riesgo de pérdida de un grupo nuclear de alta potencia. Los últimos años se han caracterizado, sin embargo, por la fuerte presencia de las energías renovables cuyas características

1.1 Electric power technologies. Regulatory framework in support of renewables in the EU The second half of the twentieth century was characterised by the onset of nuclear power, which supplemented hydropower as well as oil- and coal-fired steam plants. The operational fundamentals of this technology did not substantially alter the modus operandi of the world’s electricity systems, although it did raise reserve power needs as insurance against the risk of outage of a high capacity nuclear facility. In contrast, recent years have been characterised by the prominent role of renewable energies, whose operational

(pág. anterior)

(opposite page)

Fig. 2: Dependencia energética países miembros (Fuente: Eurostat, 2013)

Fig. 2. EU member country energy dependence (source: Eurostat, 2013)

to

Social

107


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

de funcionamiento han introducido y van a introducir importantes cambios en la forma de entender y operar los sistemas eléctricos mundiales. Las razones fundamentales de este importante crecimiento de las fuentes renovables han estado en la necesidad del autoabastecimiento energético, la reducción del impacto ambiental y la creación de empleo local. El liderazgo de este impulso ha sido de los países de la Unión Europea muy sensibles siempre a los temas ambientales y necesitados de recursos energéticos endógenos pues importan el 53% de la energía que consumen, lo que supone un 88% del consumo de petróleo, 66% del gas natural, un 42% de los combustibles sólidos y un 95% del uranio. La situación no es uniforme en los diferentes países y por ejemplo nuestro país tiene una dependencia energética exterior próxima al 75% (ver fig. 2). Todo ello ha supuesto la puesta en práctica de diferentes marcos regulatorios para apoyar los proyectos que aprovechan energías renovables. En la figura 3 se presenta el porcentaje de cobertura con energías renovables para los países de la UE para el año 2012 y a las previsiones vinculantes por la Directiva de Energías Renovables. Los marcos regulatorios fueron necesarios para garantizar los flujos de caja a proyectos intensivos en capital y por lo general, estuvieron basados en dos principios clásicos hasta la llegada de la crisis económica: la obligatoriedad de comprar toda la electricidad generada por las instalaciones renovables y a un precio prefijado inicialmente con diferentes modalidades: –– Feed-in tariff fijo, utilizado fundamentalmente en España (conocido como tarifa regulada) y la mayor parte de los proyectos en Portugal, la remuneración se basaba en el parque medio y todos los parques cobraban lo mismo. –– Feed-in tariff variable ligado al recurso con diferentes modalidades: Dinamarca remuneraba hasta un máximo de horas, Alemania en función del recurso y una torre de referencia, Francia merced a la producción. 108

690 V

400 kV

400 V 132 kV 20 kV

Generación Generation

Transporte Transmission

Distribución Distribution

Reparto Consumo Retailing Consumption

Fig. 1. Cadena de suministro eléctrico por rangos de tensión (Fuente: REE) Fig. 1. Electric power supply chain by voltage range (source: REE)

properties have induced and will continue to induce significant change in the approach to and operation of electric power systems worldwide. Such strong growth in renewable energy has been furthered by the need to enhance energy independence, lower environmental impact and create local employment. The trend has been led by the EU countries, traditionally sensitive to environmental issues and short on endogenous energy resources. In aggregate they import 53 % of the energy consumed, including 88 % of their oil, 66 % of their natural gas, 42 % of their solid fuel and 95 % of their uranium needs. The situation varies from country to country. Spain, for instance, is around 75 % energydependent (see Fig. 2). The foregoing has resulted in the implementation of regulatory frameworks in support of projects that harvest renewable energy. Figure 3 shows the percentage of power consumption covered by renewables in the EU in 2012, along with the legally binding targets laid down in the Renewable Energies Directive. Such regulatory frameworks, needed to guarantee the cash flow of capital-intensive projects, were based in general on two principles, hallowed until the advent of the economic crisis: the requirement to purchase all the power generated by renewable facilities and pre-established pricing, initially based on any one of a number of criteria: –– a fixed feed-in tariff, used primarily in Spain (where it is known as the ‘regulated tariff ’) and most Portuguese


V. EL PANORAMA ENERGÉTICO ACTUAL

ENERGY TODAY AND THE ROLE OF WIND

70% 2012 2020 (1)

60% 50% 40% 30% 20%

Norway

Malta(2)

Luxembourg

United Kingdom

Netherlands

Cyprus

Belgium

Ireland

Hungary(2)

Slovakia

Poland

Germany

France

Italy

Czech Republic

(1) Objetivos de obligado cumplimiento, 2020 (1) Legally bindindg targets for 2020 (2) 2012: estimación (2) 2012: estimate

Spain

Greece(2)

Bulgaria

Croatia

Slovenia

Lithuania

Romania

Portugal

Estonia

Denmark

Austria

Finland

Latvia(2)

Sweden

EU-28

10%

Fig. 3: Participación porcentual de las energías renovables en la cobertura de la demanda (Fuente: Eurostat)

Fig. 3. Renewable energy coverage of demand in the EU (%) (source: Eurostat)

–– Certificados verdes, caso de Italia, Reino Unido (después de un fallido procedimiento de subastas), Polonia o Rumania. Los certificados verdes eran emitidos y controlados por una entidad pública y su precio se determinaba en función de la necesidad de las Cías. Generadoras de comprar los mismos para cumplir con el porcentaje de renovables dentro de su paquete de generación que le exigía la regulación. Se aplicó fundamentalmente en sistemas con mercados eléctricos liberalizados con el objetivo de fomentar la competencia pero la falta de liquidez elevó mucho el precio de los mismos. –– Subastas de precios de venta de electricidad, recientemente se ha iniciado en algunos países como Polonia pero está ampliamente extendida en Latam y en algunos países del Medio Oriente. Regular no es sencillo, entre otras cosas porque no es fácil conocer cuáles son los costes futuros de las instalaciones, pero sorprende no sólo tanta diversidad en un espacio físico y político como la UE que se quiere común pero, sobre todo, lo poco que se aprovechó la experiencia entre países incluidos algunos flagrantes errores regulatorios.

projects, in which consideration is based on a mean facility size, with all facilities paid at the same rate –– variable feed-in tariff, with conditions depending on the resource, with Denmark paying up to a ceiling number of hours, Germany basing payments on the resource and a reference tower, and France on output –– green certificates, as in Italy, United Kingdom (after an auction procedure failed), Poland and Romania, issued and controlled by a public agency, with the price set depending on generator companies’ need to buy such certificates to comply with legal requirements on the percentage of renewables in their generation mix; applied essentially to foster competition in systems with liberalised electricity markets, although the lack of liquidity has raised the price considerably –– power sale auctions, recently instituted in countries such as Poland but also widespread in Latin America and some Middle Eastern countries. Regulating is not easy, among others because of the difficulty in ascertaining facilities’ future costs. Nonetheless, such wide 109


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Los costes de este por lo general garantista modelo unido a la crisis económica han supuesto su revisión y la apertura de modelos regulatorios más competitivos, basados en muchos casos en las subastas de precio, aunque en el caso español la modalidad seleccionada ha sido la subasta de la inversión para ligarla al Incentivo a la misma que instauró la reforma energética. En cualquier caso, estos cambios en ningún caso pueden cuestionar los importantes beneficios de la generación eléctrica renovable como algunos han pretendido, pues entre otras cosas han permitido dar una imagen tecnológica de España prácticamente inexistente hasta ahora en el entorno económico mundial.

1.2 La fuerte entrada de los Ciclos Combinados. El caso español La otra tecnología que ha tenido un fuerte crecimiento en los años pasados han sido los ciclos combinados a partir de gas natural. Este combustible estuvo inicialmente restringido para su uso como fuente de energía primaria para la generación eléctrica por su elevado valor como materia prima para diversos procesos industriales, pero la utilización de las turbinas de gas derivadas de las utilizadas en los aviones y basadas en el ciclo Brayton y sobre todo su combinación con las turbinas de vapor, basadas en el ciclo Rankine, permitió llegar a rendimientos superiores al 55%, dando lugar al ciclo combinado que hacía estas plantas imbatibles frente a cualquier otra forma de generación térmica. Adicionalmente, los ciclos combinados son fáciles de instalar y su operación es más flexible que la de las centrales nucleares y de carbón, lo que impulsó su crecimiento por ejemplo, en el sistema eléctrico peninsular español como se muestra en la Tabla 1 donde se observa que la potencia en ciclos combinados llega a los 27 201 MW similar a la de los parques eólicos. Tomando una vez más, el caso español como referencia, esta similitud de potencias ha conducido a algunas interpretaciones interesadas en el sentido de que se construyeron para cubrir los periodos sin viento. La decisión fue sin embargo autónoma 110

diversity in a geographic and political area such as the EU that aspires to be ‘common’ is surprising, while even more surprising is the scant benefit reaped from inter-country experience, including certain flagrant regulatory errors. The costs of this, broadly speaking, 'guarantistic’ model, in conjunction with the economic crisis, induced the institution of more competitive regulatory models, often based on price auctions. The investment auction approach adopted in Spain aimed to associate capital outlays with the incentives introduced by energy reform legislation. Contention in some quarters to the contrary, the changes involved do not, however, cast doubts on the substantial benefits of renewable electricity generation, not least of which is Spain’s unprecedented image as a technology powerhouse in the field.

1.2 The steep rise of combined cycles. Case study in Spain Recent years have seen expansion in another technology, natural gas-fired combined cycle generation. The use of this fuel as a source of primary energy to produce electricity was initially restricted given its high value as a raw material in other industrial processes. The deployment of gas turbines based on the Brayton cycle models used in jets, and in particular their combination with Rankine cycle steam turbines, however, raised performance to rates upward of 55 %. The resulting combined cycle plants now boast yields unrivalled by any other form of thermal generation. In addition, combined cycles are readily installable and can be operated more flexibly than nuclear- and coal-fired plants. That has driven their growth in the Spanish peninsular system, for instance (Table 1), where combined cycle park capacity, at 27 210 MW, is comparable to the generating power recorded for wind farms. Again with Spain as an example, that similarity in capacity values has led to certain biased interpretations to the effect that combined cycle facilities were built to cover windless periods. On the contrary, the respective investment decisions were


V. EL PANORAMA ENERGÉTICO ACTUAL

ENERGY TODAY AND THE ROLE OF WIND

Tabla 1: Evolución de la potencia por tecnología en el sistema eléctrico español (Fuente: REE) Table 1. Installed capacity by technology in the Spanish electricity system (source: REE)

y como antes en el caso nuclear, se basó en el interés para posicionarse en el mercado por parte de las empresas eléctricas del singular modelo eléctrico español, donde la competencia se basa más en repetir la opción tecnológica que en competir en precio. Ni siquiera se pensaron para apoyar la integración renovable, pues una de las ventajas de los ciclos combinados es poder separar la turbina de gas de la turbina de vapor, merced a lo que se conoce como “by-pass” de los gases de combustión de la primera que son liberados directamente a la atmósfera sin pasar por la caldera de recuperación y obtener el vapor. Se diseñaron pues para funcionar en base maximizando las horas de funcionamiento en un escenario de crecimiento de la demanda que después no se ha ratificado. La asociación de la generación eléctrica basada en tecnologías de energías renovables y ciclos combinados es, sin embargo, una tendencia mundial, entre otras cosas debido al respaldo de los segundos, si les dota la flexibilidad suficiente por la variabilidad del recurso de las primeras. En cualquier caso es

made independently and, as in the case of nuclear power, were based on electricity companies’ strategies to forge a market position in Spain's unique electricity model, where competition is governed more by maintaining a given technological option than by price. Nor were such plants designed to support the integration of renewables, for one of the advantages of combined cycles is that their gas and steam turbines can be separated via a by-pass system that releases the combustion gases from the former directly into the atmosphere, preventing them from flowing into the heat recovery boiler where steam is generated. These facilities were consequently designed to maximise the number of operating hours in a demand growth scenario that did not ultimately materialise. The tendency to associate renewable source and combined cycle electric power generation is observed worldwide, among others due to the backing afforded the former by the latter, in terms of coverage for resource variability. In any event, according to Spanish wind energy association (Asociación 111


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WITH A FAIR WIND

importante indicar que de acuerdo con nuestras estimaciones en AEE, refrendadas después por REE, la potencia que la eólica necesita de apoyo estaría en el entorno de los 600 MW muy alejado de la potencia instalada en ciclos combinados. El hecho de que los parques incorporen herramientas de predicción y programen su producción facilita la regulación. El reto actual, en el que queremos ser una vez más lideres, es conseguir una participación más activa en la regulación y sustituir de forma progresiva a las centrales convencionales en este servicio, fundamentalmente ayudar acontrolar la frecuencia y la tensión de la red y evitar la compra de equipos auxiliares cuando los parques eólicos pueden aportar determinados servicios. En la figura 4 se presenta la cobertura de la demanda por parte de las centrales nacionales, no se incluye el balance de intercambios internacionales que luego se comenta, donde se observa la diversificación de fuentes de energía, siempre positiva para garantizar el suministro, y el elevado peso de la eólica que en el año 2013 había sido la principal fuente de generación eléctrica. Evidentemente, el suministro eléctrico tiene en cuenta también los intercambios internacionales como fuente de seguridad de abastecimiento y optimizador de costes. Adicionalmente, las conexiones internacionales favorecen la regulación de los sistemas eléctricos y en el caso europeo, vertebran la unión política y económica de la UE. El sistema eléctrico peninsular español intercambia por ejemplo, con Portugal y Marruecos habitualmente en sentido vendedor y con Francia en el opuesto. El refuerzo de la nueva conexión con este último país a es una oportunidad para favorecer los intercambios entre ambos sistemas y por lo que se refiere a la eólica, interesa sobre todo el invierno periodo de mayor demanda en la UE, lo que permite la exportación de excedentes, a un mayor precio y evita, además, las limitaciones a la generación de los parques (oscilan entre el 1% y el 3% del producible anual, un importante lucro cesante de varios millones de euros). 112

Eólica Española, AEE) estimates ratified by the Spanish system operator (Red Eléctrica Española, REE), the back-up capacity needed by wind power is on the order of 600 MW, much less than is presently installed in combined cycle facilities. Wind farms, which are fitted with prediction tools, programme their output, facilitating the operation of the electricity system. The present challenge, where Spain again aspires to take the lead, is to gain more active participation in such operation and gradually replace conventional plants in this service, essentially to help control grid frequency and voltage and elude the need for costly ancillary equipment for services that can be provided by wind farms. Figure 4 shows how demand is covered by national facilities, excluding the international connections discussed below. The diversification of energy sources visible in the figure is a key to guaranteeing supply. Note wind’s large share, which was even larger in 2013 when it was the main source of electricity generation in Spain (data not shown). Electric power supply obviously draws from international connections as a source of security of supply and cost optimisation. Moreover, interconnections favour electricity system regulation and underpin political and economic union in the EU. Spain’s peninsular electricity system sells energy to Portugal and Morocco, for instance, and buys power from France. 16,4% Carbón / Coal 21,9% Nuclear / Nuclear 10,4% Cogeneración y resto / CHP and other 15,4% Hidráulica(1) / Hydropower (1) 20,4% Eólica / Wind 3,1% Solar fotovoltaica / Solar photovoltaic 2,0% Solar térmica / Solar thermal 21,9% Térmica renovable / Renewable thermal 8,5% Ciclo combinado / Combined cycle

Fig. 4. Estructura de generación eléctrica peninsular 2014 (Fuente: REE) Fig. 4. Electricity generation in continental Spain by technology, 2014 (source: REE)


V. EL PANORAMA ENERGÉTICO ACTUAL

1.3 La operación de los Sistemas eléctricos. El caso español un referente mundial La operación técnica de cualquier sistema eléctrico se basa en coordinar todos los elementos que lo componen para garantizar en todo momento la cobertura de la demanda, en condiciones de confiabilidad y seguridad para el sistema. Por lo que respecta al caso europeo en general y al español en concreto, la tendencia de esta última década ha sido una caída, como se ve en la figura 6, motivada por la crisis económica de la misma. La situación es realmente atípica pues ni siquiera a finales de los años 70 con la profunda desindustrialización del país derivada del final de la autarquía, se produjo una situación similar de reducción del consumo. Esta caída del consumo ha estado también influida por el proceso de desindustrialización de los países desarrollados

ENERGY TODAY AND THE ROLE OF WIND

(%) 8 6 4 2 0 −2 −4 −6

2004

2006

2008

2010

2012

Año / Year

Fig. 6. Evolución de la demanda en España, 2003-2013 (Fuente: REE) Fig. 6. Electric power demand in Spain, 2003-2013 (source: REE)

The strengthening of the new connection with France will enhance the interconnection between the two systems. For wind, opportunity peaks in the winter when high demand in the EU favours the export of surplus energy at a better price, enabling plants to circumvent generation constraints on farms (amounting to a total of 1 to 3 % of yearly output, or lost profit of several million euros).

1.3 Electricity system operation: Spain as an international benchmark The technical operation of any electricity system is based on coordinating all the constituent elements to reliably and safely guarantee demand coverage at all times. In Europe in general and Spain in particular, demand has tended downward in the last 10 years as a result of the economic crisis. This situation is highly atypical, for not even in the late nineteen seventies, in the midst of the country’s drastic deindustrialisation following on the demise of the autarchy, did consumption decline so steeply.

Fig. 5. Intercambios comerciales del Sistema Eléctrico Peninsular (Fuente: REE) Fig. 5. Energy interconnections, Spanish continental electric power system (source: REE)

This slump in consumption was also induced by deindustrialisation in developed countries with manufacturing growth in China, as shown in Figure 7. The foregoing has led to a less favourable load curve for Spain’s continental electricity system, understood as the difference between peak and valley demand, heightening the challenges involved in electricity system operation. 113


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

sobre todo por el crecimiento de la actividad manufacturera en China, tal y como se observa en la figura 7. Todo ello ha conducido a un empeoramiento de la curva de carga del sistema eléctrico peninsular español, entendido como diferencia entre la punta y el valle de demanda eléctrica lo que ha incrementado los retos para la operación del sistema eléctrico. La operación se basa por lo tanto en igualar oferta y demanda para lo cual se utiliza el indicador de la frecuencia que debe mantenerse en todo momento próxima a los 50 Hz, evitando, además, congestiones en las líneas y manteniendo también estable la tensión en los diferentes nudos del sistema. Se trata de una tarea compleja por la multitud de intervinientes pero a su vez fuertemente reglada a partir de normas y códigos técnicos y el control directo que realiza REE a través de su centro de control como se muestra de forma esquemática en la figura 8. Por lo que respecta a la introducción de las energías renovables en la operación del sistema, el camino recorrido por todos los

Operation is based on balancing supply and demand. The indicator used is frequency, which should be constantly kept very close to 50 Hz while eluding line congestion and maintaining a steady voltage at system nodes. The task is enormously complex due to the host of actors involved, but at the same time strictly regulated by technical standards and codes as well as by the direct control effected by REE through its control centre, as illustrated in Figure 8. The introduction of renewable energies in system operation has followed the same pattern around the world: strong initial resistance on the part of the operator due to resource variability, resulting in stricter grid codes, and subsequent understanding of and adaptation of procedures to such technologies by coordinating facility operation, among others. The present challenge lies in capitalising on the dispersion and power electronics of wind capacity equipment to replace conventional sources of energy in the provision of frequency stability and voltage control services, thereby eluding the need

Exajoules

45 30 15 0

1990 2000 2011 1990 2000 2011 1990 2000 2011 1990 2000 2011 1990 2000 2011 1990 2000 2011 1990 2000 2011

OECD

Non-OECD Europe and Eurasia

China

Other developing Asia

Africa

Fig. 7. Evolución mundial del consumo de los diferentes sectores industriales (Fuente: AIE) 114

Latin America

Middle East

Hierro y acero / Iron and steel Minerales no metálicos Non-metallic minerals Textil y cuero / Textile and leather Química y petroquímica Chemical and petrochemical Papel, pasta e impresión Paper, pulp and printing Comida y tabaco / Food and tobacco Metales no férreos / Non-ferrous metal Otras / Other

Fig. 7. World power consumption by industry (source: IEA)


V. EL PANORAMA ENERGÉTICO ACTUAL

operadores mundiales ha sido siempre el mismo: fuerte resistencia inicial ante la variabilidad del recurso lo que llevaba a un endurecimiento de los códigos de red, para posteriormente entender las nuevas tecnologías y adaptar los procedimientos a las mismas incorporando, por ejemplo, la operación coordinada de las instalaciones. En la actualidad, el reto es aprovechar el carácter disperso y la electrónica de potencia de los equipos, para incorporarlos a los servicios de regulación de frecuencia y control de tensión sustituyendo a las fuentes de energía convencionales y evitando la instalación de elementos costosos en las líneas de transporte, como ya se ha mencionado en la sección anterior. Por lo que se refiere a la operación económica del sistema eléctrico esta va unida a la operación técnica y afecta tanto a los suministros de electricidad como a la regulación necesaria para mantener las variables antes mencionadas dentro de los necesarios márgenes de seguridad. Una de las razones del fuerte crecimiento peninsular de los ciclos combinados fue precisamente posicionarse en este mercado mayorista de electricidad, tal y como se ha comentado, con el problema de que al ser de la misma tecnología, las ventajas en costes variables, las ofertas en el mercado se hacen basándose en los mismos como luego se comenta, derivaban más de la negociación de los contratos de suministro de gas natural que de la mejora de eficiencia de las plantas. La operativa del mercado se basa pues en realizar ofertas de precio por parte de los agentes participantes basadas ya sea en el coste variable, para la mayor parte de las centrales, o en el de oportunidad, para las hidráulicas de embalse. Los primeros que entran para poder vender su electricidad son los que ofertan precios más bajos, pudiendo llegar ser cero aunque en la actualidad está en el entorno de los 10-20 €/MWh, y si no se cubre la demanda van entrando centrales más caras Una vez hechas las ofertas para cada hora el criterio a aplicar es marginalista de corto plazo, la última que entra para cubrir la demanda en cada hora fija el precio para todas las de precio

ENERGY TODAY AND THE ROLE OF WIND

for the installation of costly elements in transmission lines, as discussed above. Economic operation of the electricity system is wedded to technical operation and affects both electricity supply and the regulation required to maintain the aforementioned variables within the margin of safety. As noted earlier, one of the drivers of the strong growth of combined cycle plants on the peninsula has been the pursuit of a position on the wholesale electricity market on the part of electricity companies. Inasmuch as they all offer the same technology, however, their competitive edge in terms of variable

Fig. 8. Operación coordinada del sistema eléctrico (Fuente: REE) Fig. 8. Coordinated operation of the electricity system (source: REE) 115


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WITH A FAIR WIND

igual o inferior. Es decir si una central como un parque eólico, oferta a cero pero la última que entró fue un ciclo combinado que oferto a 60 €/MWh, el parque eólico termina cobrando este precio para esa hora concreta. Este mercado es fuertemente cuestionado pero está claro que con retoques va a ser la piedra angular del mercado único europeo, quedando por resolver el problema del control de posiciones dominantes que evite posibles concertaciones. El Sistema Eléctrico Peninsular español fue precisamente el primero en permitir la participación de la energía eólica en este mercado lo que fue posible por el uso extensivo de herramientas de predicción y propició la realización de ofertas por paquetes de proyectos que compensaban sus programas de producción para laminar los inevitables desvíos de los mismos. En la figura 9 se presenta de forma esquemática la participación de la eólica en los diferentes mercados. En la misma se observa que la energía eólica participa en el mercado diario y posteriormente en los mercados intradiarios para poder ajustar sus programas y evitar las penalizaciones por desvíos. La participación en los mercados gestionados por REE es previsible que sea posible a partir del año 2016 con un doble objetivo: aprovechar las capacidades tecnológicas de los parques eólicos y su carácter distribuido en la red y obtener unos ingresos adicionales, como ya se ha comentado. Inicialmente la participación de la eólica era pasiva y tomadora del precio finalmente casado aunque el hecho de que muchos parques eólicos cobren sólo el precio del mercado por culpa de la reforma energética (este tipo de plantas que ofertan en el mercado se conocen en la terminología anglosajona como merchant plants siendo en el caso de los parques anteriores al 2003 una posición forzada) ha provocado un posicionamiento más dinámico para incrementar los ingresos. Este modelo es realmente novedoso y un referente para otros países europeos y además de mostrar la madurez del sector eólico como fuente de energía, también la importancia de la colaboración del propio sector con los Operadores Técnico y Económico del sistema. 116

costs, on which market offerings are based, as discussed below, stems more from natural gas price bargaining than from plant efficiency. Market operation is based on the price offered by the participating agents in terms either of variable costs (for most plants) or of opportunity cost (for hydroelectric facilities). The plants whose output is deployed first are the ones offering the lowest price, which may dip to zero, although at this writing it stands at around €10-20/MWh. If demand is not covered by these plants, the ones offering the second lowest price are deployed, then the third lowest and so on. Once all the bids for each hour are submitted, a short-term marginal criterion is applied: i.e., the last facility deployed to meet demand at each hour sets the price for them all. For example, if a facility such as a wind farm offers electricity at €0/MWh, but the last bid for which demand is assigned, submitted by a combined cycle generator for instance, is for €60/MWh, that is the rate paid the wind farm for the hour at issue. Whilst this model has been called into question, it is clearly going to be the cornerstone of single European market operation, with some minor adaptations. The problem of how to control market dominance to prevent possible collusion has yet to be solved, however. The Spanish continental electricity system was the first to allow wind energy to participate on this market. Such participation, possible thanks to the widespread use of prediction tools, favoured package offerings in which possible deviations from output programmes could be flattened. The flow chart in Figure 9 shows wind’s share of a number of markets. Wind energy participated first in daily and later (pág. siguiente / opposite page) Fig. 9. Operativa de la eólica en la operación económica del sistema (Fuente: AEE) Fig. 9. Wind participation in system economic operation (source: AEE)


V. EL PANORAMA ENERGÉTICO ACTUAL

OMIE

REE Conexiones bilaterales Internacionales International bilateral connections

Programación Programming

MERCADO DIARIO DAILY MARKET

Parque eólico 1 Wind farm 1

Resultado de la casación / Clearing price

Conexiones bilaterales Nacionales National bilateral connections

Parque eólico 2 Wind farm 2

SOLUCIÓN DE RESTRICCIONES TÉCNICAS SOLUTIONS TO TECHNICAL CONSTRAINTS

Parque eólico N Wind farm N

Servicios complementarios Ancillary services OTROS PROCESOS DE GESTIÓN TÉCNICA OTHER TECHNICAL PROCESSES

ENERGY TODAY AND THE ROLE OF WIND

in inter-day markets to be able to adjust its programmes and elude penalties for deviations. Inasmuch as the tests conducted on renewable energy facilities to qualify for providing ancillary services are near approval, wind farms will foreseeably begin to participate on the respective REE-managed markets in 2016, with a dual aim: to capitalise on the technological capacity of wind farms and the distributed nature of their generation and to obtain additional revenues, as mentioned above. Wind’s participation was initially passive, i.e., the price ultimately cleared was the price accepted. The fact that many wind farms are paid only the market price due to energy reform (plants that submit bids to operate on the market are known as ‘merchant plants’, a position imposed upon farms prior to 2003) has prompted them to adopt a more dynamic approach to increase their revenues. This genuinely innovative model, a benchmark for other European countries, reveals the maturity of the wind industry as a source of energy and the importance of its cooperation with the system’s technical and economic operators.

Programación ajustada 6 veces/d a Programming adjusted 6 times/day

Ajustes interdiarios Inter-day adjustments

6 Mercados interdiarios 6 Inter-day markets

Procesos en tiempo real Real-time processes

2. Nuevos Modelos de Suministro: Mayor Participación del Consumidor en el Abastecimiento Energético La generación distribuida, una de cuyas variantes es el autoconsumo donde es el propietario de la instalación el que controla el suministro, se basa en la instalación cerca del consumidor de las unidades de generación para reducir las pérdidas en el transporte y distribución y aprovechar, en muchos casos, los recursos endógenos como se muestra en la figura siguiente para un sistema no conectado a la red. Ya en el año 1999 cuando era Director de Proyectos internacionales de la División de Energía de ACCIONA recibí la

2. N ew M odels of S upply : G reater C onsumer P articipation in the S upply of E nergy Distributed generation, one of the variations on which is selfsupply whereby the owner of the facility controls supply, is based on locating generating units close to the consumer to reduce transmission and distribution losses and in many cases to capitalise on endogenous resources, such as shown in Figure 10 for a system not connected to the grid. In 1999 when I was International Projects Manager for the ACCIONA Energy Division, I was visited by representatives from a US electricity company, from Oregon I seem to recall who, in light of the scant enthusiasm shown by Spanish electricity companies, approached us about a plan for distributed generation. The proposal was to sell not only electricity but also the respective equipment, including a series 117


visita de una Compañía Eléctrica Americana, creo que era de Oregón, que ante la falta de receptividad de las Compañías Eléctricas españolas, se dirigía a nosotros con el objetivo de desarrollar un esquema de generación distribuida. Su propuesta era no vender sólo electricidad sino directamente los equipos y ofrecían una serie de opciones desde pilas combustibles PEM, pasando por microturbinas de gas y energías renovables, básicamente fotovoltaica y eólica. Se encargaban de la instalación y mantenimiento de estos equipos y de esta forma fidelizaban al cliente. Una vez más el dinamismo de los americanos, los primeros que desarrollaron la producción independiente de los sistemas públicos de generación, con la aprobación del PURPA a finales de los años 70, resultó vanguardista y ejemplar. Evidentemente, hace 15 años los riesgos técnicos y los costes eran demasiado elevados y la propuesta no llegó a cuajar, estábamos todavía protegidos por el régimen especial, pero puso en evidencia una cultura distinta del suministro eléctrico: la generación distribuida puede ser una oportunidad y no una amenaza. En cualquier caso, tanto la generación distribuida y el autoconsumo son alternativas que van a llegar, ahí tenemos la oferta de baterías domésticas por parte de algún productor americano, y junto con el vehículo eléctrico van a propiciar una mayor autonomía a la hora de decidir y operar por parte del consumidor eléctrico. Téngase en cuenta que el precio de la generación con una tecnología renovable podrá ser más o menos caro pero es conocido desde el momento de su instalación para los próximos 20 años, con incertidumbres sólo sobre el coste de reposición de algunas componentes. Por último, no quiero terminar este capítulo sin mencionar una modalidad de autoabastecimiento inevitable e importante como es el caso del suministro eléctrico a sistemas insulares, caso de El Hierro con el proyecto hidro-eólico de Gorona del Viento, o el menos conocido del suministro parcial a una de las Islas 118

of options ranging from PEM fuel cells to gas and renewable energy (primarily photovoltaic and wind) micro-turbines. The equipment would be installed and maintained by the supplier to ensure customer loyalty. Once again, the US industry, the first (with the approval of the PURPA in the late nineteen seventies) to develop generation independent of public systems, had adopted a dynamic and exemplary avant-garde attitude. Given the high technical risk and costs prevailing 15 years ago, however, the proposal failed to prosper: in Spain we were still benefitting from special regime protection. It was nonetheless symptomatic of a wholly different electricity supply culture: distributed generation could be more an opportunity than a threat. In any event, both distributed generation and self-supply are alternatives to be reckoned with, as attested to by the domestic batteries recently brought to market by a US producer. These, together with electric cars, will afford electricity consumers greater independence of decision and action. Although generating electricity with a renewable technology may be more or less expensive, the cost during the 20 years from the time it is installed is a known quantity, with the sole exception of the uncertain price of components that may need to be replaced. I could hardly end this chapter without mentioning an indispensable and significant type of self supply: electric power in island systems. The Gorona del Viento hydro-wind project on El Hierro, one of the Canary Islands, is a case in point, as is the less widely known use of wind energy to partially cover demand on the Galapagos Islands (see Figure 11). The latter project arose in the wake of a shipwreck that polluted the Galapagos biosphere reserve and more specifically San Cristóbal Island. The project comprises the following units: –– three model AE509 wind turbines with variable pitch and speed and a rated capacity of 800 kW –– one gas-oil facility with six engines, three installed in 1990 with a capacity of 650 kW (812 kVA) and one each


V. EL PANORAMA ENERGÉTICO ACTUAL

ENERGY TODAY AND THE ROLE OF WIND

Galápagos con energía eólica (Ver fig. 11). El proyecto surge a raíz del accidente de una barco que contamino la reserva de la biosfera que son las Islas Galapagos y de forma más concreta la Isla San Cristobal, constituida por las siguientes unidades: –– 3 aerogeneradores del modelo AE59, paso y velocidad variable, con una potencia nominal de 800 kW. –– Una planta diésel, con 6 grupos de los cuales 3 grupos son de 650 kW (812 kVA) que fueron instalados en 1990, posteriormente fueron instalados 3 grupos más en 2009, 2011 y 2014 de 1 000 kW, 1 100 kW y 900 kW respectivamente, los cuales deberían integrase a la operación del conjunto. Según datos de Eolicsa se tiene que la aportación de energía del parque eólico es del 32 % de la energía total que requiere la isla para satisfacer la demanda de electricidad. Hay que tener en cuenta que el coste de generación con los grupos diesel estará en el entorno de los 200 $/MWh frente a menos de la mitad del parque eólico, lo que justifica siempre la importancia de utilizar el viento en los sistemas insulares.

3. A M odo

de

C onclusión

La liberalización del sector eléctrico iniciada en los años 90 con la separación, empresarial o jurídica dependiendo de los casos, de las diferentes actividades generación, transporte y distribución y comercialización, coincidió con la integración de las energías renovables. El hecho de que no existiera una clara delimitación legal entre unos sectores liberalizados, al menos sobre el papel, y otros planificados provocó una serie de ineficiencias, como la no reserva de capacidad, que se resolvieron de forma un tanto singular dando un excesivo protagonsimo a las Comunidades Autónomas. Por otro lado, la existencia del déficit de tarifa que tuvo su origen en la insuficiente reducción de precios que se esperaba

Fig. 10. Modelo de autoconsumo basado en fotovoltaica y eólica (Fuente: Bornay) Fig. 10. Photovoltaic- and wind-based self supply model (source: Bornay)

in 2009, 2011 and 2014 with capacities of 1 000, 1 100 and 900 kW, respectively, which were to be integrated into overall facility operation. According to Eolicsa data, the wind farm supplies 32 % of the total energy required to meet the island’s demand for electricity. At $200/MWh, generation with gas-oil turbines costs over twice as much as wind farm production, a statistic that clearly supports the use of wind in island systems.

3. By W ay

of

C onclusion

The liberalisation of the electricity industry undertaken in the nineteen nineties with the corporate or legal unbundling, depending on the case, of generation, transmission, distribution and retailing, concurred with the onset of renewable energies. The non-existence of legal bounds, at least on paper, between liberalised and planned industries prompted a series of inef119


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

660 kVA Grupo electrógeno 0,48/13,2 kV Gas-oil generator 750 kVA 60 Hz

0,38/15 kV 50 Hz

13,2/1 kV 60 Hz

Cargas Loads

Filtro Filter

10 km

Fig. 11. Esquema planta híbrida eólico-diesel de Galápagos (Fuente: GPTECH) Fig. 11. Flow chart for Galapagos Island hybrid wind-gas-oil plant (source: GPTECH)

120


V. EL PANORAMA ENERGÉTICO ACTUAL

ENERGY TODAY AND THE ROLE OF WIND

del mercado liberalizado antes mencionada, colocó el foco en el desarrollo de las renovables como causantes de todos los males del sector de forma totalmente injustificada.

ficiencies, such as the lack of reserve capacity, for which ad hoc solutions had to be found. These circumstances accorded regional authorithies undue prominence.

La experiencia ha demostrado sin embargo la idoneidad de la aportación de la renovables a la seguridad de suministro y sobre todo en el caso de la eólica, su dinamismo a la hora de aportar soluciones para facilitar su integración en la operación técnica y económica del sistema. Siempre fue importante que los tecnólogos fueran españoles. El camino recorrido ha sido largo y difícil pero las renovables han venido para quedarse y España no puede permitirse el lujo de tirar por la borda todo este esfuerzo.

Moreover, the tariff deficit arising in the wake of the insufficient price reduction on the liberalised market unjustifiably fingered renewable energies as the cause of all the industry’s ills. Experience, however, has proven that renewables contribute substantially to the security of supply and that the wind industry is particularly dynamic in providing solutions to facilitate its integration in the technical and economic operation of the system. The professionals involved have consistently been Spaniards, another important feature. We have sailed a long way on a rough sea but renewables are here to stay and Spain cannot afford to toss all that effort overboard.

121


122


VI. UN MUNDO MEJOR • A BETTER WORLD DAVID SARRASÍN

1. Introducción

1. I ntroduction

El mundo actual en el que vivimos no sería posible sin la energía. Ha sido la energía la que ha posibilitado la industria y el transporte modernos, y con ello el desarrollo social y la mejora de las condiciones de vida de las personas en una gran parte del mundo.

Today’s world would not be possible without energy. Energy is what drove modern industry and transport and with them social development and improved living conditions for people in much of the globe. The main sources of energy presently in use pose serious problems that we accept today because we have no other choice. Despite the substantial second-order effects discussed below, the advantages of abundant and relatively inexpensive energy are far greater than the problems generated by its use. Our increasingly sensitive ecological and social conscience makes it more and more difficult for us to accept these problems and unwanted effects however. In another vein, developing countries need growing amounts of energy to enhance their populations’ standard of living, and they will naturally prioritise access to cheap energy over all other considerations. Present efforts to lower emissions and use renewable sources as backup energy indisputably help to slacken the pace of growth of these problems, but they will not by themselves deliver the solution. Maintaining the energy model we know today for much longer, then, even for as little as 30 or 40 years, would seem reckless at best.

Las principales fuentes de energía en uso en la actualidad tienen sin embargo problemas importantes con los que hoy convivimos, porque no tenemos alternativa: aún a pesar de sus importantes efectos secundarios que repasaré más adelante, las ventajas de tener energía abundante y relativamente barata son inmensamente superiores a los problemas que su uso genera. Nuestra conciencia ecológica y social, día a día más desarrolladas, hace que nos cueste cada vez más aceptar todos estos problemas y efectos secundarios, pero al mismo tiempo los países en desarrollo necesitan cada vez más energía para aumentar el nivel de riqueza de su población, y van a seguir siempre priorizando el acceso a energía barata sobre otras consideraciones. Los esfuerzos actuales por minorar emisiones y por el uso de las renovables como energías de respaldo sin duda ayudan a que los problemas no crezcan tan rápido, pero en sí mismas no van a solucionar los problemas. Mantener el modelo energético que conocemos hoy durante mucho más tiempo, incluso tan poco como treinta o cuarenta años, parece cuando menos preocupante. Afortunadamente, ya tenemos las tecnologías para cambiar de modelo energético mucho antes de esos treinta años. Se trata de un modelo con grandes ventajas para el desarrollo económico de los países no desarrollados, y con grandes ventajas para el medio ambiente. Ambos factores posibilitarán el

Fortunately, we now have technologies to change the energy model in much less than 30 years. This new approach has enormous benefits for developing economies as well as for the environment. Both factors will raise the quality of life for the planet’s present and future inhabitants. One of the mainstays of the new model that I’ll be describing, without which its institution would not be possible, is the existence of renewables, in particular wind and solar photovoltaic energy. 123


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

acceso a una vida mejor a todos los que habitamos el planeta y a quienes lo habitarán en años venideros. Pilares del nuevo modelo que describo más adelante, sin el que dicho modelo no sería posible, son las energías renovables, con la eólica y la solar fotovoltaica a la cabeza.

2. E l

modelo

E nergético A ctual

2.1 Origen El modelo energético actual se basa en la utilización masiva de combustibles fósiles para producir energía para el transporte, la industria y los usos domésticos. La electricidad no figura porque se consideran las fuentes de producción de la misma (por ejemplo, la energía nuclear es toda ella eléctrica, y la parte principal de las renovables también). Es un modelo que nos viene acompañando desde hace más de dos siglos, cuando el desarrollo técnico de la máquina de vapor permite empezar a utilizar de forma masiva combustibles fósiles. La máquina de vapor y el carbón como fuente de energía posibilitan la Primera Revolución Industrial, con florecimiento de la industria y con el ferrocarril como forma de transporte terrestre para personas y mercancías. En pocas decenas de años sobreviene un cambio radical en la sociedad. Se multiplica la producción de bienes, se posibilita el transporte de personas y mercancías. En una segunda fase, gracias a nuevos adelantos tecnológicos, aparecen la electricidad y el motor de explosión, comenzando el aprovechamiento masivo del gas y del petróleo, que posibilitan nuevas formas de transporte (automóvil, avión) y mayores adelantos en maquinaria industrial y en aparatos domésticos que suponen otro gran salto en crecimiento, riqueza y calidad de vida. Tuvo lugar a principios del siglo pasado, y supuso la Segunda Revolución Industrial. La invención de la electricidad además posibilita la incorporación de dos nuevas fuentes de energía durante la segunda mitad del siglo XX: La energía nuclear y algunos años antes 124

2. Today ’s E nergy M odel 2.1 Origin The energy model now in place is based on the combustion of fossil fuels to produce energy for transport, industry and household use. Electricity is not shown on the graph because it is included in the primary sources (all nuclear energy is electricity, for instance, as is most of the power produced with renewables). This model has been with us for over two centuries, since the development of the steam engine induced the massive use of fossil fuels. The steam engine, with coal as the source of energy, spurred the First Industrial Revolution, with the advent of industrial manufacturing and the railroad as the solution to transport people and merchandise on land. In just a few decades, society changed radically, with a spectacular rise in output and and faster and cheaper long distance transportation for people and goods both. In a second stage, further technological development brought electricity and the combustion engine. The large-scale harnessing of gas and oil, in turn, ushered in new forms of transpor tation (cars, aeroplanes) and progress in industrial machinery and household appliances that led to another upsurge in growth, wealth and quality of life. These early twentieth century developments constituted the Second Industrial Revolution. With the invention of electricity, two new sources of energy made their appearance at mid-century: nuclear energy and a few years earlier, the first widespread source of renewable energy, hydroelectricity. Wind energy, first used to generate electricity 30 years ago, is today a significant source of electric power in Europe. Solar photovoltaic generation was introduced somewhat later. While wind is much more prevalent, photovoltaic energy has expanded rapidly over the last 2 years, and the number of new facilities coming on stream yearly is now comparable in these two renewables.


VI. UN MUNDO MEJOR

la primera fuente de energía renovable de uso generalizado, la hidroeléctrica. Hace treinta años aparece la energía eólica como fuente de energía, en la actualidad con una aportación relevante en producción de electricidad en Europa, y más adelante aparece la solar fotovoltaica. La implantación de la eólica es muy superior, pero la fotovoltaica en estos últimos dos años está conociendo una expansión enorme, con un nivel de instalaciones nuevas cada año ya similar al de la eólica. Ambas han ido bajando sus costes de producción de energía drásticamente, siendo ya fuentes de energía competitivas en coste respecto a nuclear, petróleo y gas.

2.2 El modelo energético actual: problemas El modelo energético actual se basa principalmente en el uso de combustibles fósiles para producir energía (Figs. 1 y 2). Este modelo ha permitido el desarrollo que nos ha traído hasta aquí, por lo cual hay que estarle sin duda muy agradecidos. Pero es un modelo que también presenta problemas graves, desde múltiples puntos de vista: Está el punto de vista de la contaminación. La producción de energía en el mundo, actualmente, se realiza principalmente mediante combustibles fósiles, principales responsables de la emisión de gases que provocan calentamiento global. La contaminación es un problema grave que sufre ahora una parte significativa de la población mundial en el aire que respira, y los efectos irreversibles sobre todo el planeta que la emisión de gases está produciendo es algo sobre lo que hay ya amplio consenso en la comunidad científica. Es indudable que si seguimos más tiempo por este camino vamos a dejar a nuestros hijos un mundo en el que vivir, mucho peor que el que recibimos de nuestros padres. Está el punto de vista de la economía, con dos perspectivas. Producir energía es caro y para casi todos los países implica importación de grandes cantidades de combustibles fósiles. Esto es dinero (riqueza) que sale del país. Con esa riqueza, la

A BETTER WORLD

100%

50%

0%

Poland Germany

Otras / Other Renovables / Renewables

UK

Denmark

EU

Nuclear / Nuclear Gas / Gas

Spain

France

Petróleo / Oil Carbón / Coal

Fig. 1. Porcentaje de diferentes fuentes de energía en Europa en 2013 (Eurostat) Fig. 1. Distribution (%) of sources of energy in Europe in 2013 (Eurostat)

31.6% Transporte / Transport 26.8% Hogar / Household 25.1% Industria / Industry 13.8% Servicios / Services 20.4% Agriculura y forestal Agriculture and forestry 0.6% Otros / Other

Fig. 2. Porcentaje de consumo de energía por sectores en Europa (28) 2013 (Eurostat) Fig. 2. Consumption (%) by sector, Europe (EU-28), 2013 (Eurostat) 125


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

población del país en cuestión podría tener acceso a una vida mejor, con más servicios, más empleo, más seguridad. Y salvo excepciones, esa riqueza en su lugar de destino (los países que venden el petróleo) no se distribuye ni aprovecha para mejorar las condiciones de vida de grandes masas de población. Visto desde el punto de vista de los países poco desarrollados, la falta de acceso a la energía por no poder pagarla (o no poder pagar las infraestructuras necesarias para su distribución) incide sobre la calidad de vida de las personas y sobre la capacidad de las economías de estos países de crecer para posibilitar a su vez un incremento de la riqueza y los servicios para sus habitantes. Esto nos lleva a un tercer punto de vista, geopolítico. Por una parte, el control de los recursos energéticos puede originar y origina conflictos internacionales. Oriente Medio y la antigua Unión Soviética son exportadores naturales de petróleo y constituyen dos regiones en permanente riesgo de conflicto. Por otra parte, la incertidumbre en el suministro en caso de conflicto y la actual dependencia de las principales economías mundiales de dicho suministro facilitan que un conflicto por el control de este recurso escale con facilidad hasta alcanzar una escala global. Y sin llegar a un conflicto, la variación de precios por razones políticas o estratégicas impactan en las economías de todo el mundo, y no contribuyen a la estabilidad económica. Este modelo energético presenta, por tanto, problemas graves, que urge solucionar para poder avanzar hacia el futuro. Por tanto, si para el futuro queremos un mundo mejor, con más riqueza para todos y con un medio ambiente no degradado irreversiblemente, tenemos que cambiar el modelo energético actual.

3. E l Nuevo M odelo E nergético Lo que pedimos al nuevo modelo energético para que suponga una Tercera Revolución en cuanto a su impacto en la calidad de vida de las personas no es poco: –– energía limpia, que suponga una disminución drástica de las emisiones que están cambiando el planeta. 126

Production costs have declined drastically in both types of generation, enabling both to compete in price with nuclear, oil and gas energy.

2.2 Today’s energy model: the problems The model now in place is based primarily on the use of fossil fuel to produce energy (Figs 1 and 2). Insofar as it has supported the development that we know today, we are indebted to it. Nonetheless, at the same time, it poses serious problems in a number of respects. Environmentally speaking, fossil fuel-based energy production is one of the primary sources of pollutant gases. Pollution of the air we breathe is a severe problem affecting a significant portion of the world’s population, while the irreversibility of the effects of greenhouse gas emissions on the planet as a whole is generally acknowledged by the scientific community. If we continue along this route much longer, our children will indisputably inherit a much less hospitable world than we received from our parents. The economic problems posed can be viewed from two perspectives. Energy production is an expensive undertaking in which nearly all countries are required to import vast quantities of fossil fuels. That detracts from their wealth. Those same resources could be used to secure a higher standard of living for their populations, with more services, more employment and greater security. With only a few exceptions, that wealth is not distributed in the recipient (oil exporting) countries or capitalised on to improve living conditions for the bulk of their inhabitants. Viewed from the perspective of developing countries, the non-affordability of energy (or of the infrastructure needed to distribute it) impacts the quality of life of their people and the ability of their economies to grow and hence to create wealth and provide services.


VI. UN MUNDO MEJOR

–– energía abundante de acuerdo a la creciente demanda de los países en vías de desarrollo –– energía barata, cuyo uso no reduzca los recursos de las personas que la utilizan –– energía producible en cualquier parte del mundo, que el control de las regiones que poseen los recursos energéticos no sea una fuente de conflicto. He puesto el problema medioambiental delante. Quizá el mundo desarrollado sí estaría dispuesto a pagar más por una energía más limpia, pero no es razonable pensar que a nivel mundial va a triunfar un modelo energético cuya energía tenga un coste superior al de otros modelos posibles. Afortunadamente, el modelo energético que ya podemos vislumbrar, que ha empezado a sustituir ya mismo al modelo actual, tiene todos estos requisitos. Es, como han sido los anteriores, un modelo basado en el cambio tecnológico, pero ya no se apoya en los combustibles fósiles. Los pilares en que se basa el modelo energético futuro son tres: las energías renovables, el almacenamiento de energía eléctrica y el automóvil. Las energías renovables (eólica, solar e hidráulica principalmente) se encargarán de producir ingentes cantidades de energía de manera limpia y económica, en casi cualquier región del globo. De hecho, ya producen una cantidad significativa de la energía eléctrica que se produce en la actualidad, y ya son la fuente de producción de energía más barata; pero, sin el avance en el almacenamiento de energía las energías renovables, no pueden sustituir a las fuentes convencionales, porque el consumo energético no depende del viento y del sol, pero la producción renovable sí. El almacenamiento energético en baterías/pilas y el hidráulico, –mediante bombeo– serán la llave para poder prescindir de las fuentes convencionales y aumentar la producción renovable. El problema del almacenamiento es su elevado coste, pero afortunadamente esto está cambiando rapidísimamente, en gran medida “por culpa” del automóvil

A BETTER WORLD

That brings us to the third consideration: geopolitics. On the one hand, the control of energy resources can and does originate international disputes. The Middle East and the former Soviet Union are natural oil exporters and regions where the risk of conflict is ongoing. Moreover, the uncertainty of supply in the event of armed conflict and the present dependence of the world’s major economies on such supply could readily prompt global escalation to gain control of the resource. Even in the absence of disputes, however, the variation in price for political or strategic reasons impacts economies the world over, detracting from economic stability. Today’s energy model, then, poses serious problems on whose urgent solution future progress depends. Consequently, if we want a better future world, with more wealth for all and an environment that has not been irreversibly damaged, we must change today’s energy model.

3. The New E nergy M odel What we demand of a new energy model able to prompt what we might regard a Third Revolution for its impact on people’s quality of life is no small order: –– clean energy with a drastic decline in the emissions that are changing our planet –– an abundance of energy in keeping with growing demand in developing countries –– cheap energy whose use is not a drain users’ resources –– energy that can be generated anywhere in the world so that the control of the regions where it is sourced does not induce conflict. I placed the environmental issue first. The developed world may be willing to pay more for cleaner energy, but it is unreasonable to expect the most costly energy model to prevail worldwide. Fortunately, the energy model that is now coming into view and which has already begun to replace what we have, meets 127


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

La industria del automóvil ha apostado por los vehículos eléctricos, que van a ir sustituyendo progresivamente a los vehículos de combustión. El automóvil eléctrico va a tener tres grandes efectos en el modelo energético. En primer lugar, hará que se incremente de manera significativa la demanda de energía eléctrica y se reduzca de manera muy relevante la demanda de gasolinas y gasóleos. Además, es un consumidor de energía idóneo porque lleva incorporado su propio sistema de almacenamiento y eso permite que pueda consumir cuando hay excedente de energía eléctrica (típicamente por la noche) en vez de cuando necesita la energía. En segundo lugar, las baterías de los coches son un sistema de almacenamiento que pasará a formar parte del sistema eléctrico, de modo que el “depósito” de los coches será al mismo tiempo una parte del sistema de almacenamiento eléctrico general. En tercer lugar, el automóvil es quien está provocando los avances radicales en tecnologías de almacenamiento en baterías y pilas, y va a seguir siendo el motor que haga que estas tecnologías bajen su coste de forma rapidísima, aumentando las posibilidades de almacenamiento eléctrico económico. Revisemos ahora cada uno de estos pilares.

3.1 Las energías renovables Hace sólo diez años, un aerogenerador tipo de los que se colocaban en España tenía 850 kW de potencia, una torre de 55 m de altura y un rotor de 52 a 58 m de diámetro y tenía un coste de 800 000 euros (incluyendo el aparato, su instalación completa y la obra civil y eléctrica para verter a red la energía). Hoy, los aerogeneradores que se instalan en tierra (on-shore) oscilan entre 2 000 y 3 300 kW de potencia, con torres de entre 90 y 120 m de altura y con un diámetro de rotor de entre 110 y 132 m. Su producción es entre cuatro y seis veces la de los generadores anteriores, y su coste está entre 2,1 y 3,5 millones de euros. Un equivalente actual a los generadores anteriores puede ser el aerogenerador G114 2 MW de Gamesa. Con una torre de 128

all the aforementioned requirements. Like its predecessors, it is based on technological change, but not on fossil fuels. The future energy model rests on three pillars: renewable energies, electric power storage and the automobile. Renewable energies (primarily wind, solar and hydro) will produce vast amounts of clean and inexpensive energy nearly anywhere on earth. They are in fact generating a significant share of the electric power presently produced and are now the least expensive source of energy. Nonetheless, their ability to replace conventional sources hinges on progress in renewable energy storage, for energy consumption does not depend on the wind or the sun, whereas production does. Energy storage in batteries and pumping in hydroelectric facilities will be the key to dispensing with conventional sources and raising renewable production. The problem with storage is its high cost, although that is fortunately changing fast, a development for which the automobile is largely to ‘blame’. The automobile industry has taken a stand in favour of electric vehicles, which will steadily replace cars with combustion engines. Electric cars will affect the energy model in three main ways. Firstly, they will raise the demand for electric power significantly, concomitantly lowering the demand for gasoline and gas oil. They are, moreover, an ideal energy consumer because they have a built-in energy storage system, allowing them to consume during times of surplus generation (typically at night), instead of when they use the energy. Secondly, automobile batteries will form part of the electricity system as storage elements, whereby their ‘petrol tanks’ will constitute an energy bank for the system as a whole. Thirdly, automobiles are driving radical progress in battery storage technologies and will continue to help lower costs, thereby enhancing the potential of inexpensive power storage. A review of each of these pillars follows.


VI. UN MUNDO MEJOR

A BETTER WORLD

93 m y un diámetro de rotor de 114 m, y con una potencia de 2100 kW, genera cuatro veces más energía que el anterior G52 de 850 kW de la misma marca. El coste por MW del mismo es similar y el resultado es que la energía generada por un parque eólico hecho con la G114 tiene un coste de unos 37 €/MWh, que es poco más de la mitad de lo que cuesta en un parque hecho con la G52 1. No es fácil conocer los costes reales de las diferentes fuentes de energía, pero sin duda estos costes ya son sensiblemente más bajos que los de la energía producida con combustibles fósiles o con energía nuclear. Además, estos costes van a seguir bajando a un ritmo de más de un 5% anual durante todavía bastantes años. Este dato es muy importante: no solo son ya las energías más baratas, van a ir siendo cada vez más baratas de manera continuada. La energía solar tiene un coste superior, pero la curva de bajada de coste es más pronunciada, y en países con recurso solar potente está ya cerca del coste de la energía eólica y en camino de superarla en competitividad. Hay que destacar que la optimización en la energía eólica no viene tanto de hacer que las máquinas sean más baratas cuanto de que produzcan mucha más energía sin encarecer su coste en la misma proporción. La consecuencia de esto es que pocos aerogeneradores producen mucha energía. De forma que para hacer crecer la producción de energía eólica al doble de la actual incluso en los países con mayor número de aerogeneradores instalados no hay que instalar el doble de aerogeneradores de los que hay. Utilizando generadores modernos en los emplazamientos en los que hace más de veinte años se instalaron las primeras máquinas (lo que se conoce como repowering), se puede multiplicar la cantidad de energía eólica producida reduciendo el número de turbinas y el impacto visual de las mismas.

3.1 Renewable energies A mere 10 years ago, a standard wind turbine such as installed in Spain had a capacity of 850 kW, a tower 55 m tall and a rotor 52-58 m in diameter. Such a turbine cost 800 000 euros (including the device itself, the respective civil and electrical works and turnkey installation for delivery of power to the grid).

1 Cálculo de coste de energía en base a un parque tipo de 7.5 m/s de viento, con inversión de 1.2 MM€/MW, pérdidas en parque del 12.7%, gastos de operación y mantenimiento de 31 k€/MW/año, con la curva de potencia publicada por Gamesa para su modelo G114 2.0 MW maxpower.

1 Energy cost calculated from the power curve published by Gamesa for its 2.0-MW G114 Maxpower machine, assuming a typical farm with wind speeds of 7.5 m/s, an upfront investment of €1.2 M/MW, losses on the order of 12.7 % and operation and maintenance costs of €31 000/MW/year

Today, onshore wind turbines have installed capacities ranging from 2 000 to 3 300 kW, 90-120-m towers and rotor diameters of 110-132 m. They generate from four to six times as much energy as their forebears, at an installation cost of 1.2 to 3.5 million euros. The Gamesa G114 2-MW wind turbine would be today’s equivalent to earlier generators. With a 93-m tower, a 114 m diameter rotor and a capacity of 2 100 kW, it generates four times more energy than the same manufacturer’s prior 850-kW G52 machine. Whilst the cost per MW installed is similar, the energy generated by a wind farm comprising G114 turbines costs around €37/MWh, a little over half of what it costs in G52-based wind farms1. Although the real costs of the various sources of energy are not readily available, the above price tag is considerably lower than for power generated with fossil fuels or nuclear energy. Moreover, the cost will continue to drop at a rate of over 5 % yearly for a long time. That fact is important: these are not only already the least expensive energies, but their cost will continue to decline. Solar energy costs are higher, but the downward slope is steeper. In countries with a powerful solar resource this type of energy is now nearly as competitive as wind and on track to becoming more so.

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WITH A FAIR WIND

Además hay otro efecto del que más adelante calibraremos su importancia: los nuevos aerogeneradores necesitan mucho menos viento para producir energía. En el ejemplo anterior, con un viento de 5 m/s un aerogenerador G52 con torre de 55 m produce 0,065 MW de potencia. En esas mismas condiciones de viento, un aerogenerador G114 produce aproximadamente 0,5 MW, es decir, casi ocho veces más. Este multiplicador va bajando según sube el viento: con 9 m/s, el ratio es de casi cinco veces más, con 13 m/s y superior, el ratio es de 2,5 veces más. Esto quiere decir que los períodos del año en que se extrae energía eólica aumentarán, porque las máquinas actuales extraen una cantidad significativa de energía con vientos que hace diez años generaban una cantidad despreciable de energía. Otro aspecto interesante de la energía eólica (y de la solar) es el plazo de instalación. Desde que se lanza la construcción de un parque eólico hasta que este comienza a producir energía no pasa más de doce o quince meses (esto sin contar la fase de obtención de permisos o medición de viento, que puede durar un par de años). Ni las plantas de gas, ni mucho menos las plantas nucleares, tienen un período tan corto desde que se decide invertir hasta que se empieza a generar energía. Una política de apuesta por este modelo energético, por tanto, no necesita tantos años (décadas en el caso de la nuclear) para ponerse en funcionamiento, con lo que ello implica en cuanto a financiación o directamente en cuanto a empezar a disfrutar de esos menores costes de energía y esas menores emisiones contaminantes. En el caso de la energía nuclear, además del plazo que transcurre desde que se empieza a invertir hasta que se tiene energía, está el problema posterior del tratamiento de residuos y los costes de desmantelamiento, lo que supone inversión adicional que durará muchos años, una vez que la instalación deja de producir. Al igual que las emisiones producidas por las plantas basadas en combustibles fósiles, no es mejor legado para dejar a quienes vienen detrás.

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Wind energy cost can be optimised not by designing turbines that produce a given output more cheaply, but by designing turbines with a much higher output at only a moderately higher cost. Consequently, most modern turbines do not produce large amounts of energy. Hence, to raise wind power output to twice the amount presently generated, even in countries with large numbers of turbines in operation, there is no need to double that number. By installing modern generators at the sites where the first machines were built 20 years ago (a procedure known as ‘repowering’), the amount of wind energy produced can be multiplied with a smaller number of turbines and hence a smaller visual impact. Another effect whose importance is discussed in detail below is that new wind turbines need much less wind to generate power. In the above example, at a wind speed of 5 m/s, a G52, 55-m rotor tower generates 0.065 MW. Under those same conditions, a G114 generates approximately 0.5 MW or nearly eight times more. This proportion declines with rising wind speed: at 9 m/s the ratio is 5 to 1, and at 13 m/s and higher, 2.5 to 1. This means that wind energy can be harnessed over longer periods during the year, for modern machines draw a significant amount of energy from the wind at speeds at which only negligible amounts of power could be generated 10 years ago. Another advantage of wind (and solar) energy is installation time. No more than 12 to 15 months elapse between groundbreaking for a wind farm and the date it begins to produce energy (excluding the time to obtain permits or take wind measurements, which may run to a couple of years). Not even gas, and certainly not nuclear plants, have such a short turnaround between the adoption of the investment decision and facility commissioning. A policy in support of this energy model would not, then, take as many years (decades in the case of nuclear power) to bear fruit, with all that entails in terms of financing or the time lapsing before all the stakeholders can benefit from lower energy costs and lower emissions.


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3.2 El almacenamiento Energético El consumo eléctrico no es constante. De día se consume más que de noche, y durante el día hay horas punta de consumo. Los días de más calor de verano o los días más fríos del invierno se consume más que en primavera y otoño. La producción eléctrica debe adecuarse en todo momento a ese consumo. Algunas fuentes de energía permiten regular y adecuar la producción al consumo, y otras no lo permiten: –– La energía nuclear no se puede parar, salvo largas paradas programadas con mucha antelación. Es una fuente de energía eléctrica de base, produce de forma más o menos constante, continuamente. –– Las plantas de generación con combustibles fósiles sí tienen la capacidad de regular, y de hecho son las que principalmente se emplean a día de hoy para adecuar la producción eléctrica a la demanda: cuando hace falta más energía la aportan y cuando no hace falta simplemente se paran. Esto no es gratis, porque mantener las plantas operativas para no estar funcionando a pleno rendimiento tiene un coste que hay que pagar. –– La gran hidráulica sí tiene la posibilidad de regularse dentro del día o de la semana, para adecuarse a la demanda: puedes turbinar de día y no turbinar de noche. Tiene, claro está, la limitación propia de que la hidroeléctrica que puedes generar la determina la cantidad de lluvia anual, y puedes regular cuándo produces dentro del límite que te marca la capacidad del embalse y otras consideraciones relacionadas con las variaciones de caudal que puedes tener en el río. –– Las energías renovables eólica y solar no tienen capacidad de regulación, producen cuando hay viento y sol respectivamente. La solar produce de día y no de noche, lo cual se adapta parcialmente a los patrones de consumo, pero sólo parcialmente, porque a primera hora de la mañana no produce casi, y hay demanda importante. Y también permite una predictibilidad superior, todos los días va a haber producción solar. La eólica es aún más errante, se

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In addition to its long lead time, nuclear power is dogged by the need to process spent fuel, which calls for an extra investment over many years after the facility is decommissioned. Like the emissions from fossil fuel plants, this is not the best of legacies to bequeath to the generations to come.

3.2 Energy Storage Energy consumption is not invariable. Less is consumed at night than by day and daytime demand is characterised by peaks and valleys. Consumption is greater on very warm summer and very cold winter days than in spring or fall. Electricity output must adapt to consumption at all times. Some sources of energy accommodate regulation to adjust output to consumption, while others do not. –– Nuclear plants cannot be shut down except during long outages scheduled far in advance. This is a ‘base’ source of electric power with a more or less constant and continuous output. –– Fossil fuel plants can be regulated and are in fact the ones used today to adjust power supply to demand: when more power is needed they furnish it and when it is not, they are simply idled. That is not cost-free, for keeping plants operational but not at peak performance levels bears a cost that must be paid. –– Large hydro plants can be regulated during the day or the week to adjust to demand, turbining by day but not at night, for instance. They are subject, of course, to the amount of rainfall, which determines the power that can be generated. Regulation is also contingent upon the constraints inherent in reservoir capacity and other considerations related to variations in river flows. –– Wind and solar renewables cannot be regulated: they produce only in the presence of wind or sunlight, respectively. Solar energy generates power by day but not 131


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combinan días y noches de mucho viento con períodos en los que no hay nada de viento. Si nos planteamos un modelo energético en que la generación eléctrica con gas y carbón desaparecen o al menos se reducen drásticamente, y la eólica y la fotovoltaica sustituyen dicha producción, perdemos una parte importante de la capacidad de adaptación a la demanda. Sigue quedando una capacidad de adaptación importante en la energía hidroeléctrica en los embalses, pero esa capacidad de adaptación no sería suficiente. Para que un modelo energético basado principalmente en energías renovables se pueda implantar, es necesario contar con medios de almacenar cantidades muy relevantes de energía eléctrica, que sean además bastante económicas, de forma que la suma del coste de producción de la energía eléctrica más el coste de almacenar una parte de esa energía sean competitivos. Es importante señalar aquí que, de la misma manera que almacenar la energía eléctrica supondrá un coste adicional sobre los costes puros de producción, el modelo actual también genera un extracoste importante: el coste de mantener paradas las plantas de producción eléctrica con combustibles fósiles. O sea, además de pagar la energía que esas plantas producen, hay que pagar el hecho de que la planta esté parada en los períodos en que no hace falta la energía, pero disponible para producir esa energía en el momento en que es necesario. En España en 2014 los costes relacionados con la regulación de la capacidad han sido de más de novecientos millones de euros*(informe de la CNMC sobre liquidación del sector eléctrico 4/2014). Formas de almacenamiento de energía Para almacenar la energía eléctrica que producen las demás fuentes energéticas limpias y baratas, hay dos posibilidades de almacenamiento energético principales: el bombeo de agua para después producir energía hidroeléctrica, y las baterías y otros dispositivos similares. En ambos casos, el almacenamiento supone un extracoste: no se genera energía (en el caso del bombeo, de hecho, se pierde 132

by night, a scheme that is only partially in keeping with consumption patterns, because output is very small early in the morning, when demand is high. As solar energy is produced every day, it is more predictable than wind, which is more ‘erratic’, with very windy days and nights alternating with completely windless periods. Further to the foregoing, if we pursue an energy model in which gas- and coal-fired electric power generation disappears or at least ebbs drastically in favour of wind and photovoltaic energy, we would largely forfeit the capacity to adapt to demand. The adaptability inherent in hydro power could still be deployed, but it would not suffice. For an energy model based primarily on renewables to be feasible, it would have to envisage an affordable means to store significant amounts of electricity to ensure that the cost of generation plus storage would still be competitive. Be it said in this vein that just as electric power storage would entail costs above and beyond pure production, the present model also entails a substantial extra cost: the cost of maintaining fossil fuel facilities idle. In other words, in addition to the cost of power generation per se, keeping these plants in stand-by mode to produce energy as needed also carries costs. In Spain, the bill for capacity regulation amounted to over 900 million euros in 2014 (National Markets and Competitive Affairs Commission report on electricity industry facts and figures, 4/2014). Approaches to energy storage The electric power generated by other clean and cheap sources of energy is stored in one of two ways: pumping water to subsequently produce hydro power, and storing energy in batteries and similar devices. In both cases, storage entails extra cost: no energy is generated (pumping in fact consumes energy), while providing for


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energía) y generar la capacidad de almacenamiento supone un coste muy considerable. La clave es si se trata de un extracoste pequeño o de uno prohibitivo. Como se ha comentado anteriormente, la energía hidroeléctrica es una fuente renovable que lleva incorporado el almacenamiento en su origen. Los embalses recogen el agua cuando llueve, y podemos lanzar esa agua a las turbinas para producir energía cuando lo necesitamos. La capacidad de almacenamiento total de nuestros embalses equivale al 7% del consumo eléctrico anual, y la potencia de generación que tienen es suficiente para producir el 25% de la energía que se necesite en un momento determinado. Luego la capacidad de ajustar la producción de energía eléctrica a la demanda seleccionando en qué momento utilizas el agua recogida de la lluvia es muy importante en un país como el nuestro. En nuestro país, el potencial de crecimiento de la hidroeléctrica es aún muy grande, por lo que desde esta perspectiva podemos ampliar la capacidad de almacenamiento y regulación de producción y demanda incrementando el número de embalses y la generación hidroeléctrica. El almacenamiento por bombeo se consigue subiendo agua a una presa o depósito para luego turbinarla. Es una posibilidad con un rendimiento bastante alto (alrededor del 70% de la energía que se ha usado para subir el agua se consigue después al turbinarla) y con un nivel de inversión relativamente bajo comparado con la capacidad de almacenamiento que se consigue. Más aún si se realiza sobre una presa ya existente a base de hacer en su parte inferior una represa que permita almacenar el agua que querremos bombear en los momentos en que haya energía excedentaria (por ejemplo, durante la noche en los días de viento). El almacenamiento por bombeo tiene un gran potencial en países como España, con abundantes recursos hidráulicos y una red de embalses amplia y una orografía que puede propiciarlo. Y puede ser una solución para casos insulares, utilizando incluso agua salada.

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storage capacity is very costly. The key is to determine whether the extra cost is affordable or prohibitive. As noted earlier, one of the inherent features of hydro power is its storability. Reservoirs collect rainwater that can be used to move turbines and produce electricity as needed. The total storage capacity of Spain’s reservoirs amounts to 7 % of yearly electric power consumption, while the respective plants can meet up to 25 % of the demand at any given time. Hence the cardinal importance of knowing when to use the rainwater stored in reservoirs to adjust electricity generation to demand. Since Spain still has substantial potential for hydro power growth, it could expand its storage as well as its regulation capacity by building more reservoirs and hydro power plants. Pumped storage consists in raising water to a dam or deposit for subsequent use in turbines at a lower level. This procedure yields a reasonably high output (turbining recovers around 70 % of the energy initially used to raise the water) with a fairly low investment compared to the storage capacity obtained, particularly for dams built at the lower end of an existing reservoir to store water for pumping during surplus energy periods (on windy nights for instance). The potential for pumped storage is high in countries such as Spain, which combines a suitable lay of the land with an abundance of hydro resources and an extensive reservoir system. It may also be a solution for islands, where even salt water could be used for this purpose. Up to now, large pumping operations entailed unnecessarily raising the cost of energy because renewable sources were not less expensive than gas-fired steam plants. Since production could be adjusted to demand in the latter, they, along with hydro plants, served that purpose. Now, with modern wind facilities generating electricity at a much lower cost than other types of energy, using pumped storage to cover wind energy shortages makes good economic sense and the combination can compete with steam plants. Spain has 2 514 MW 133


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Hasta ahora, plantear grandes bombeos suponía encarecer unos costes de energía que no era necesario encarecer, porque las fuentes renovables no eran más baratas que las plantas térmicas de gas, y éstas pueden regular su producción y ajustarla a la demanda, de modo que la adecuación oferta-demanda la hacen estas plantas y la hidráulica. Ahora, con el coste de las plantas eólicas modernas bien por debajo de los costes de otros tipos de energía, la combinación de eólica con bombeo en los momentos de déficit tiene sentido económico y compite con los costes de las plantas térmicas. En España tenemos 2 514 MW de capacidad de generación por bombeo, lo que supone menos de un 3% de la potencia total instalada, y algo más de un 1% de la electricidad producida (datos REE 2014). Esta cifra debería incrementarse de manera muy relevante para complementar a la capacidad de regulación de la hidroeléctrica si queremos conseguir un sistema energético económico y con una drástica reducción de sus emisiones. Las baterías Las baterías viven un momento de revolución tecnológica: su coste y su capacidad de almacenamiento por kilo de batería están viviendo ya un nivel de mejora espectacular. Esa mejora viene dada en primer lugar por las mejoras industriales que resultan de una fabricación en masa, y por otro lado están las mejoras tecnológicas más disruptivas que ya se están anunciando: las baterías de grafeno, o los avances de BASF con las baterías de hidruro níquel, que prometen en el medio plazo baterías con cuatro veces la potencia y dos veces la vida útil de las mejores baterías de hoy, con su mismo coste y peso. Y hay otros sistemas de almacenamiento en desarrollo diferentes a las baterías, como el aire comprimido o la electrólisis. Por tanto, ¿vamos a ver grandes inversiones en plantas de almacenamiento energético basadas en baterías, para los períodos de baja producción renovable? Muy probablemente no va a ser necesario, por dos razones: –– En primer lugar, porque ya estamos viendo un nuevo modelo energético en que las propias compañías eléctricas 134

of pumping capacity, i.e., less than 3 % of the total installed capacity and just over 1 % of the power generated (data from the system operator, REE, 2014). In other words, hydro power regulation capacity must be raised significantly if an inexpensive energy system able to drastically reduce emissions is to be instituted. Batteries Batteries are in the midst of a technological revolution: their cost and storage capacity per kilogramme are undergoing spectacular improvement. That improvement is down both to industrial developments resulting from mass production and to more disruptive technological developments in the offing: graphene batteries or BASF’s promise of nickel hydride batteries that in the medium term will have four times the power and twice the service life of today’s best products, while weighing and costing the same. Storage systems other than batteries, such as compressed air and electrolysis, are also under development. Are we, then, going to see huge investment in battery-based energy storage plants to cover periods when renewable output is low? They will not in all likelihood be necessary, for two reasons. –– Firstly, a new energy model has already made its appearance, in which electricity companies encourage end users to invest in batteries in exchange for lower electricity bills. With such batteries, consumers themselves flatten their demand curves (consuming at night to charge the battery and using the energy stored in the battery to consume less during the day). The expected outcome is the installation of many mini-storage facilities rather than massive storage systems. Just weeks ago one of Spain’s electricity majors launched a product to encourage end clients to install a small photovoltaic facility with batteries in their homes or businesses. At the same time Tesla, which began to


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animan a los usuarios finales a invertir ellos en baterías a cambio de ventajas en el precio de la electricidad. Con esas baterías, los propios consumidores “aplanan” sus curvas de demanda (consumen por la noche cargando la batería, y así durante el día consumen menos porque utilizan la energía almacenada por la noche) y lo que resulta es muchos minialmacenamientos en vez de grandes sistemas de almacenamiento. Hemos visto hace pocas semanas que una de las principales compañías eléctricas lanza un producto al mercado por el que anima al cliente final a montar en su casa o negocio una pequeña instalación fotovoltaica con un sistema de baterías, y hemos visto hace unos meses que Tesla ha anunciado la batería doméstica como su principal línea de negocio, habiendo vendido toda su capacidad de producción hasta 2016 en pocas semanas. –– En segundo lugar las mencionadas grandes mejoras en la eficiencia de las baterías van a cambiar por completo el mundo del transporte, comenzando por el automóvil.

3.3 El automóvil y el transporte El transporte supone el 30% del consumo energético en los países desarrollados. Hay más consumo energético por el transporte que por el sector industrial o los hogares. Se trata en su inmensa mayoría de un consumo basado en combustibles fósiles, y genera el 25% de las emisiones de gases de efecto invernadero2 que están dañando el planeta irreversiblemente. Hasta hoy, la energía utilizada por el transporte (con pocas excepciones) sólo podía ser fósil, porque la alternativa eléctrica se topaba con el problema del almacenamiento: las baterías necesarias para dotar a un automóvil de, por ejemplo, 300 km de autonomía eran prohibitivas, costaban más que todo el resto del automóvil, su peso era excesivo, duraban no más de tres o cuatro años sin perder rendimiento y los tiempos de carga eran de varias horas en el mejor de los casos. 2 Datos US (EPA) y España (MAGRAMA)

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promote a domestic battery as its main line of business, sold its entire output through 2016 in a matter of weeks. –– Secondly, the aforementioned huge improvements in battery efficiency are going to change transport, beginning with the automobile, drastically. 3.3 Automobiles and transport Transport accounts for 30 % of power consumption in developed countries. More energy is consumed by the transport than the manufacturing industry or by households. The vast majority of that consumption is based on fossil fuels, generating 25 % of the greenhouse gases2 that are wreaking such planet-wide havoc. To date, with a few exceptions, fossil fuel was the only source of energy that could be used in transport because the electrical alternative ran up against the storage problem: the batteries needed to afford an automobile an autonomy of 300 km, for instance, were prohibitively expensive, costing more than all the other parts of the vehicle combined. They were also much too heavy, they delivered reliable performance for no more than 3 or 4 years and they took hours to recharge, even in the best of scenarios. Today, things have changed substantially: electrical cars are as good or better than conventional vehicles and are only marginally more expensive. Capturing braking energy, managing battery performance and similar approaches are now fairly well developed. They are still unable to compete in cost with traditional vehicles, however, because today’s batteries continue to be very expensive, with limited autonomy and long recharging times. They are ideal for intra-city use or short intercity commutes, but not many people can afford to buy a more expensive car that cannot be used for long-range travel, no matter now sporadic. For that reason, the best automobiles presently marketed are plug-in, compact hybrids fitted both 2 Data for US (EPA) and Spain (MAGRAMA)

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Ahora, las cosas ya han cambiado sustancialmente: los vehículos eléctricos son tan buenos o mejores que los convencionales, y su coste es sólo una fracción superior. Los sistemas de aprovechamiento de energía en la frenada, de gestión de baterías, etc están ya bastante afinados. Aún no compiten de igual a igual con los automóviles tradicionales porque las baterías de hoy siguen siendo muy caras, dan una autonomía limitada y su tiempo de recarga es elevado. Sirven perfectamente para un uso urbano o interurbano corto, pero es complicado comprar un coche que es más caro y no cubre las necesidades (esporádicas) para hacer viajes largos. Por eso, los mejores automóviles que se están lanzando son híbridos enchufables: tiene baterías que se cargan en la red, pero no muy grandes, y tienen un motor de explosión convencional. Permiten con ello unos 50 km en modo completamente eléctrico, pero conservan el motor de explosión para permitir una utilidad semejante a la de los automóviles convencionales. Esta tecnología está presente como tecnología más puntera en todas las marcas y segmentos de automóviles, salvo en los de más bajo presupuesto. Es significativo que incluso el segmento de los superdeportivos esté copado por vehículos con esta tecnología. Lo que esto significa es que el automóvil ya está cambiando a eléctrico. Y el cambio se va a acelerar geométricamente con la evolución que se anuncia del coste y rendimiento de las baterías: cuando en unos años una batería tenga en un coche eléctrico la energía para hacer 300 km, con un coste similar a las baterías que hoy hacen 50 km y tenga un tiempo de recarga de 10-15 minutos en una estación de recarga apropiada, los automóviles van a pasar a ser eléctricos, porque serán mejores y más baratos de comprar, serán más silenciosos y limpios y su coste de combustible por kilómetro será de una tercera o cuarta parte del actual. Y no habrá ninguna limitación de uso comparada con los vehículos actuales: si hacen 300 km sin parar y la recarga supone un cuarto de hora, su funcionalidad en viajes largos es en la práctica similar a la del vehículo actual. Incluso superior, porque habrá más puntos de recarga que 136

with a grid-chargeable battery and a conventional combustion engine. They can run for 50 km on the battery alone, while thanks to their combustion engine they are comparable to conventional vehicles in terms of utility. This cutting edge technology is featured by all makes of cars and market segments, with the exception of the least expensive models. Significantly, even the flashiest sports cars come with this technology. This means that cars are switching over to electricity. And that change is going to speed up with the cost and battery performance trends already on the horizon. When in a few years’ time electric cars have batteries that can run for 300 km, cost about the same as the ones that today can run for 50, and recharge in 10-15 minutes in a suitable recharging station, all cars will be electric. Such automobiles will be better, cheaper, much quieter and cleaner and per kilometre, their fuel will cost around onethird or one-fourth of the cost of running today’s vehicles. Furthermore, they will be no more limited than the automobiles on the road today. If they can run for 300 km without stopping and need only a quarter of an hour to recharge, in practice they will be as convenient as conventional vehicles for long voyages, if not more so: as recharging points will be much cheaper to install and maintain there will be many more of them than petrol stations today. Consequently, with battery evolution/revolution, the changeover to electrical vehicles will be widespread, but not for conservationist reasons (although also for that reason, in light of the recent emissions scandal around diesel engines), but rather for reasons of economy and practicality. And these vehicles will be cleaner and better, as well as less expensive. This change will be instrumental for the energy model for two reasons. Firstly, the change in and of itself entails a substantial reduction in fossil fuel use and a rise in the use of electricity. Practically all the energy consumed in transport is fossil fuel-based, and the energy consumed by that sector accounts for 30 % of the total. Moreover, in Spain one-fourth of pollutant emissions


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actualmente gasolineras, por ser un punto de recarga mucho más económico de instalar y mantener. Por tanto, con la evolución/revolución en el campo de las baterías, el cambio a vehículo eléctrico va a ser masivo, y la razón no va a ser la ecología (que también, y más si hay sucesos como el escándalo de las emisiones de los vehículos diésel que hemos visto hace unas semanas) , va a ser la economía y la practicidad. Además de más limpios, serán mejores y más baratos. Este cambio va a ser fundamental para el modelo energético por dos razones: En primer lugar, porque el cambio en sí implica una gran reducción en el uso de combustibles fósiles y un gran incremento en el uso de electricidad. Prácticamente la totalidad del consumo energético del transporte son combustibles fósiles, y hay que tener en cuenta que el consumo energético en transporte es el 30% del consumo energético total. Desde el lado de las emisiones, una cuarta parte de las emisiones contaminantes al planeta en España son responsabilidad del transporte, siendo prácticamente la totalidad de las emisiones responsabilidad del transporte por carretera. De manera muy aproximada, si un tercio del parque de automóviles (turismos) en España fuera eléctrico, se necesitaría por un lado un incremento de producción eléctrica de más de un 10%, y se reducirían las emisiones de gases de efecto invernadero totales también en cerca de un 15%. En segundo lugar, porque los vehículos eléctricos, cuando no viajan, están conectados a la red, y se pueden usar sus baterías para el ajuste de oferta y demanda. Si hay una cantidad relevante de vehículos eléctricos, las posibilidades de adecuación de demanda y producción/almacenamiento aumentan de forma muy significativa, sin ningún coste (las baterías han sido pagadas por los usuarios no para almacenar energía, sino porque la mejor alternativa para resolver su movilidad es el coche eléctrico frente al coche convencional). Un sistema de red eléctrica inteligente, que es también una tecnología que ya existe, permitirá que las cargas de los vehículos se realicen por la noche que es cuando más excedente se genera.

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is attributable to transport, close to 100 % of which to road transport. To use a very rough estimate, if one-third of the passenger car park in Spain were electric, electricity demand would rise by 10 % and greenhouse gas emissions would decline by 15 %. Secondly, when electric vehicles are not on the road, they are connected to the grid and their batteries can be used to adjust supply and demand. If there were a significant proportion of electrical vehicles, the capacity to adapt demand to output/ storage would rise substantially at no extra cost: the batteries would have been purchased by users not to store energy but because electrical cars are a better option than the conventional sort. Smart electricity meters, another technology already in place, will encourage users to recharge their batteries at night when most surplus power is generated. In addition, the grid could use the energy in batteries when vehicles are not being used. While automobiles are not in use they are connected to the grid. If the grid should need power, it could take up part of the energy stored in their batteries. That would not be to the detriment of users. On the contrary, in exchange for allowing the grid manager to establish when their car batteries should be recharged (subject to some limits), their electricity would be delivered at a lower rate. And if consumers allow the grid to use a certain percentage of the energy stored in their vehicle battery as a source of power, they would be reimbursed for the amount used at a higher rate than initially charged. Since the grid could not take up more than a certain percentage of the power stored, owners would be ensured the use of their vehicles with an autonomy of 200 km to meet unexpected needs, and be able to recharge them in 15 minutes if necessary.

3.4 How much storage is needed? Automobile batteries will raise electricity consumption substantially, simplifying the adjustment between power supply and demand during the day. Nonetheless, the energy reserves 137


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Pero además, aparece la oportunidad de que la red utilice las baterías de los vehículos que no están en uso. Mientras el automóvil no se utiliza permanece conectado a la red, y si la red necesita energía, puede disponer de una parte de la energía almacenada en el vehículo. Esto no perjudica al usuario del vehículo eléctrico, sino todo lo contrario: a cambio de que el período de recarga (dentro de un límite) lo defina la gestora de la red eléctrica accede a una tarifa eléctrica más económica. Y si accede a que la red disponga de un porcentaje de su batería del vehículo como fuente de energía para la red, la red le abona esa energía más caro de lo que luego paga el usuario por llenarla. Y como la red no puede coger más que un porcentaje de la energía, el vehículo siempre está disponible si se ha de usar de modo imprevisto, con 200 km de autonomía y con la posibilidad de parar a recargarlo en quince minutos tras haber recorrido esos 200 km.

3.4 ¿Cuánto almacenamiento hace falta? Las baterías del automóvil van a suponer un incremento sustancial del consumo eléctrico, y van a permitir una regulación sencilla del ajuste entre oferta y demanda eléctrica diario, pero las reservas de energía para períodos de muy bajo viento, en un modelo en el que la eólica se encarga de producir más de la mitad de la energía eléctrica que se consume al año, no van a resolverse sólo con baterías. La cantidad de almacenamiento necesaria será diferente en cada país requerirá del bombeo y/o de mantener alguna capacidad de planta de ciclo combinado en régimen de respaldo, con una producción eléctrica muy pequeña, porque se reservará para períodos del año aislados en los que coincidan días seguidos de escaso viento. La mayor parte del año podrán estar paradas, y la capacidad de regulación de hidráulica, bombeo y baterías permitirá prever con días de antelación la necesidad de ponerlas en marcha, lo cual a su vez reducirá los costes de tenerlas en espera. 138

required in periods of very low wind in a model in which wind power accounts for over half of the electricity consumed yearly cannot be furnished by batteries alone. The storage needed, which will vary from country to country, will entail pumped storage and/or the maintenance of some combined cycle back-up facilities with a very small output, which would be kept in stand-by mode for sporadic use during the year in the near absence of wind for several days in a row. They could be shut down for most of the year, for hydro, pumping and battery storage capacity would suffice to cover needs for several days before they would have to be started up. That in turn would lower the cost of keeping them idle.

4. C onclusions The present cost of renewables makes them the most competitive of all possible sources of energy. This is presently true for wind and will soon be applicable as well to photovoltaic energy, for which costs are falling at an even faster pace than for wind. Moreover, this price gap will continue to widen because the downward trend in costs is steeper than for conventional fuels. That competitive edge could be used to cover the cost of raising electrical storage capacity by pumping or enlarging hydro power facilities, or even remunerating battery-based distributed storage. The technology required is already in place in today’s smart grids, while the ever lower cost of batteries and the widespread use of electric vehicles will mean that a very significant portion of the investment in storage will be voluntarily made by users for economic, rather than conservationist reasons. Summing up, we now have all the elements needed to implement an energy model that just a few years ago was utopian, a model that can be introduced today and fully operational in the


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4. C onclusiones Los costes de las energías renovables ya son los más competitivos de todas las posibles fuentes de energía. Esto es así para la eólica, y en el caso de la fotovoltaica empieza a serlo, porque los costes bajan a un ritmo superior incluso al de la energía eólica. Esta competitividad además va a seguir aumentando, por la mencionada bajada de costes de energía muy superior a la que se consigue con otros combustibles. Esta ventaja económica permite plantear incrementos en sistemas de almacenamiento eléctrico por bombeo o por aumentar la capacidad de energía hidráulica, y permite plantear remuneración para el almacenamiento distribuido por baterías. Las redes inteligentes ya disponibles lo gestionarán, y los cada vez mejores costes de los sistemas de baterías y la entrada del vehículo eléctrico harán que una parte muy relevante de la inversión en almacenamiento la hagamos los ciudadanos voluntariamente, por motivos económicos, no ecológicos. En definitiva, ya tenemos los mimbres para que este modelo energético, utópico hace unos años, se haga realidad en las próximas décadas, comenzando desde ahora. Será un modelo que económicamente va a impactar en nuestra economía de forma muy importante: –– Con costes de energía más bajos para los particulares y empresas, que nos van a llevar a mayor competitividad y mayor crecimiento. –– Con energía producida en nuestro país, frente a la situación actual en la que el 73% de la energía que consume España es importada. Y la factura de esa importación, el saldo en Balanza de Pagos, es de cuarenta mil millones de euros anuales3, un 4% del PIB. –– Con precios de energía mucho más constantes que hoy, al no depender de precios de combustibles fósiles sobre los que unos pocos tienen el control. 3 Según informe del Banco de España 2014.

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decades to come. Economically speaking, the model will have a substantial impact by: –– lowering energy costs for households and companies, leading to more competitive output and greater growth –– deploying power produced in Spain, compared to the 73 % presently imported, an outlay that impacts the country’s yearly balance of payments to the tune of €40 Bn3 or 4 % of its GDP –– ensuring steadier energy prices than possible at present due to the dependence on fossil fuels controlled by a mere few –– implementing an industrial programme worth around €50 Bn over 10 years to generate the wind and photovoltaic power that would be required in this new model4, creating considerable employment and wealth while building efficient infrastructures that would become operational in a matter of months. The model will also drastically reduce polluting emissions. –– Emissions owing to electricity generation would be lowered to less than one-tenth of today's levels, with fossil fuels accounting for 3 % compared to 36 % of the total. Broadly speaking, since 25 % of greenhouse gas emissions can be attributed to electricity generation, lowering fossil fuel-based generation would entail a reduction of over 20 % of all such emissions as a whole5.

3 According to a Bank of Spain report, 2014 4 In a scenario in which the sources of electricity generation go from: - 21 % nuclear, 37 % steam and 42 % renewable (hydro + wind) to - 10 % nuclear, 3 % steam and 87 % renewable by increasing wind and photovoltaic energy: further to the author’s model 5 According to the US Environmental Protection Agency (EPA) (2014): ‘Inventory of US Greenhouse Gas Emissions, 1990-2012’: in the US in 2012 the share in total emissions amounted to 32 %. Since the United States generates 67 % of its electric power with fossil fuels, the figure for Spain, where only 36 % is so sourced, would be closer to 20 %.

139


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

–– Con un plan industrial de unos cincuenta mil millones de euros en diez años, correspondientes sólo a generar la capacidad de producción eólica y fotovoltaica que se necesitaría en ese cambio de modelo4. Esto supone creación de empleo y riqueza muy considerable, y todo ello para generar infraestructuras eficientes que entran en funcionamiento en cuestión de meses. Será también un modelo que reduzca drásticamente las emisiones contaminantes: –– Las emisiones propias de la producción eléctrica se reducirán a menos de la décima parte de las actuales, por bajar el uso de combustibles fósiles para producir electricidad de un 36% de la electricidad producida a menos de un 3%. A grandes rasgos, el 25% de las emisiones de efecto invernadero las genera la producción eléctrica5, por lo que una reducción de la generación con combustibles fósiles supondrá una reducción del más del 20% sobre el total de emisiones. –– El transporte genera otro 25% de las emisiones totales, y de ello más del 90% lo genera el transporte por carretera6. El avance del vehículo eléctrico por tanto incide casi sobre el total de emisiones del transporte. Un escenario en el que en quince años la mitad de la flota haya pasado a ser eléctrica implicará una reducción de las emisiones totales de más de un 11%. Como la anterior, es una reducción de emisiones que no cuesta dinero, sino todo lo contrario, 4 En un escenario en que las fuentes de producción de electricidad pasan de: - un 21% nuclear, un 37% térmico y un 42% renovable (hidro+eólica +fotovoltaica) a - un 10% nuclear, un 3% térmico y un 87% renovable, a base de aumentar la eólica y la fotovoltaica. Según modelo del autor. 5 Según US – Environmental Protection Agency (EPA). Inventory of US Greenhouse Gas Emmissions 1990 – 2012 de 2014. El dato americano corresponde a 2012 y es un porcentaje de participación en las emisiones totales del 32%. Hay que apuntar que Estados Unidos produce el 67% de su energía con fuentes fósiles, por lo que el dato que correspondería a España, que sólo produce el 36% con fuentes fósiles, estaría más cerca del 20%. 6 Según informe Perfil ambiental 2012 de España, por el Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente.

140

–– Transport accounts for 25 % of total emissions, over 90 % of which are attributable to road transport6. Therefore, growth in the use of electric vehicles impacts such emissions nearly in their entirety. Fast-forwarding 15 years, a scenario in which half of the vehicle park were electric would lower total emissions by over 11 %. This reduction would not cost money, but would arise as a result of changing to less expensive energy production and mobility formulas. –– Less expensive electric power will also change manufacturing, farming and household consumption patterns, which together account for the other half of total emissions, increasing savings and lowering emissions. Politically speaking, the model poses no domestic problems within countries, and may have international benefits, once consolidated. –– Inside Spain, it would entail no significant change in the ‘powers that be’ that control energy: most wind facilities belong to large energy corporations and new generation may not deviate from that profile. Photovoltaic energy, which will probably become the primary source of distributed generation, has received the explicit backing of one of the country’s electricity majors, Iberdrola, which aspires to supply and maintain photovoltaic systems for households and owners of small PV fields. Other companies such as Endesa are also moving in that direction. All manner of debate and reluctance can indisputably be expected around the cost of decommissioning all coal facilities, the most mature 50 % of nuclear plants or a large proportion of the combined cycle park, keeping the rest in stand-by mode 11 months of the year. Such issues will nonetheless prompt less controversy than if they also entailed a change in actors. 6 According to the Spanish Ministry of Agriculture and Environmental Affairs report Perfil ambiental 2012


VI. UN MUNDO MEJOR

surge como consecuencia de cambiar a formas de producir energía y de desplazarse que son más económicas. –– Una energía eléctrica más barata cambiará también los patrones de consumo de la industria, la agricultura y los particulares, responsables de la otra mitad de las emisiones totales, lo cual generará más economías y menores emisiones. Desde un punto de vista político, es un modelo que no presenta problemas desde una perspectiva doméstica, interna a cada país, y que puede presentar ventajas una vez asentado desde el punto de vista internacional: –– Dentro de España, porque no cambian significativamente los poderes fácticos que controlan la energía: la mayor parte de la eólica es de las grandes utilities, y la nueva generación posiblemente no se apartará de ese perfil. En el lado de la fotovoltaica, que probablemente va a ser una energía más distribuída, acabamos de asistir al movimiento por parte de Iberdrola en el que apuesta por ser el suministrador de sistemas fotovoltaicos y de su mantenimiento a los particulares y a los propietarios de pequeños huertos. En esta línea también trabajan otros como Endesa. Sin duda, surgirán todo tipo de debates y resistencias sobre el coste de parar todo el carbón, o el coste de parar completamente una parte importante de los ciclos combinados y tener el resto en stand-by durante once meses al año, o el coste de para la mitad más madura de la nuclear, pero no es el mismo nivel de problemas que si cambiaran los actores. –– Desde una perspectiva mundial, el cambio de modelo energético es también aplicable a una gran mayoría de países, tanto desarrollados como en vías de desarrollo. El petróleo y su control, que hoy sin duda es la gasolina que alimenta una gran parte de los conflictos en el mundo, perderá capacidad de hacerlo en la misma proporción en que se reduzca la dependencia del mundo hacia el petróleo y el gas. En definitiva, se trata de un modelo que ya es real en una gran parte, que va a suponer cambios muy importantes en la

A BETTER WORLD

–– This change in the energy model is applicable to most developed and developing countries around the world. Whereas today petrol underlies many international conflicts, its power to induce disputes will decline in the same proportion as the world’s dependence on oil and gas. In a nutshell, this model, already largely in place, will change people’s lives very significantly. We will have a higher standard of living, with more wealth available to ensure universal welfare, along with a perceptible decline in environmental hazards and in the inequalities derived from the restricted access to energy. A world in which the model now in sight is fully operational will unquestionably be a better place than would be possible with the present model, which has already begun its demise. What can each of us do to hasten the process? Energy policy is defined by governments, and we elect our rulers. Given our awareness that that we can implement a model for clean and inexpensive energy, creating jobs and economic activity in the process while stemming the outflow of billions of euros yearly to pay for fossil fuels, we may well conclude that our decision about how to cast our vote should be informed by a detailed understanding of what the candidates at issue intend to do in that regard if elected. If we show our politicians that the energy model is important to us, they will pay greater attention to the matter than otherwise. We can also keep abreast of cost trends to adopt personal decisions (purchasing a plug-in car when its use is competitive, installing a photovoltaic panel on the roof when it is cost-effective...). For those of us who work in the industry, wind energy has been a promising field from the outset as a source of clean albeit expensive power with a minority share in today’s energy model. But we’re now beginning to see that our efforts are 141


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

forma de vida de las personas: vamos a tener un mejor nivel de vida, con más riqueza disponible para asegurar el bienestar de las personas, con una disminución sensible de las amenazas sobre el medio ambiente y también con una disminución de las desigualdades que se originan por la actual dificultad de acceso a la energía. En definitiva, el modelo hacia el que vamos, sin duda dibuja un mundo mejor que el modelo energético que ahora empieza a apagarse permite. ¿Qué podemos hacer cada uno para acelerar el proceso? La política energética la definen nuestros gobernantes, y nosotros elegimos a esos gobernantes. Si tomamos conciencia de que se puede ir a un modelo energético limpio y barato, y en que por el camino se genera empleo y actividad económica y que recurrentemente evitamos que salgan del país miles de millones de euros para pagar combustibles fósiles, llegaremos a la conclusión de que un factor importante a la hora de elegir a quién votamos será el entender en detalle qué piensa hacer ese candidato al respecto si resulta elegido. Si a nosotros nos interesa y preocupa el modelo energético, los políticos lo tendrán más presente que si no es así. También podemos estar atentos a la evolución de los costes para tomar decisiones a nivel particular (comprar un coche eléctrico enchufable cuando sea competitivo en el uso que voy a darle, instalar fotovoltaica en el tejado de mi casa cuando los costes permitan rentabilizarlo…). Para los que además trabajamos en el sector, la eólica desde sus comienzos ha sido un área de trabajo ilusionante, como fuente de energía limpia, aunque cara y minoritaria dentro del modelo energético actual. Pero ahora se abre una época en la que vamos a ver cómo el resultado de los esfuerzos de desarrollo en eólica es una parte muy principal de un cambio profundo, a mucho mejor, en el mundo en que vivimos. La energía va a ser más barata y accesible, no va a depender de recursos fósiles en manos de unos pocos, sino que se va a producir mayoritariamente en cada país, lo cual incrementará la riqueza de las 142

bearing fruit, for wind power is now instrumental to changing our world profoundly and for the better. Energy is going to be cheaper and more accessible and will no longer depend on fossil fuels in the hands of a mere few. Rather, most will be produced domestically, contributing to the wealth of each country’s population. And it will be clean energy, with no emissions or risk of radioactive accidents. Working to hasten that change, so vital for the planet and its inhabitants, witnessing its advent and consolidation in such a short time, should be cause for enthusiasm in the wind and photovoltaic community and a source of fresh impetus in our commitment to institute this new energy model more effectively and speedily.


VI. UN MUNDO MEJOR

A BETTER WORLD

personas de esos países y además va a ser una energía limpia, sin emisiones ni riesgos de accidentes radioactivos. Trabajar en posibilitar y acelerar este cambio, vital para el planeta y para quienes lo habitamos, ver cómo ya ha arrancado y cómo se materializa en unos pocos años más es algo que a la comunidad eólica y fotovoltaica debe llenarnos de entusiasmo y de renovadas energías para hacerlo posible mejor y más rápido.

143


Fig. 1. Mapa de la radiaci贸n solar en el planeta 144

Fig. 1. Planet-wide solar radiation


VII. CONCEPTOS BÁSICOS DE METEOROLOGÍA • FUNDAMENTALS OF METEOROLOGY CONSUELO ALONSO

1. E l O rigen

del

V iento

La energía eólica proviene indirectamente de la energía solar. La potencia emitida por el Sol en forma de radiación electromagnética que es recibida en la Tierra es de 1.74·1017 W, lo que corresponde a una energía anual de 5.48·1024 J. De toda esa energía, aproximadamente el 1% se convierte en energía cinética del viento potencialmente aprovechable. En las altas capas de la atmósfera, a escala global, el viento se genera por un desigual calentamiento de la tierra, que es una consecuencia de la variación de la radiación solar con la latitud y del movimiento de la tierra alrededor de su eje y con respecto al sol. La radiación solar es más intensa en el ecuador que en los polos y por tanto hay un transporte de calor desde el ecuador a los polos. De este modo, el movimiento de las masas de aire suponiendo que la tierra no girase sería tal que el aire caliente subiría en las zonas más calientes, circularía por la parte superior de la atmósfera y caería en las zonas más frías. Sin embargo, y debido a la rotación de la Tierra, se introduce la acción de la Fuerza de Coriolis que influye en la circulación general de la atmósfera: en el hemisferio norte el viento tiende a desviarse hacia el este en las capas altas de la atmósfera y hacia el oeste en las capas bajas. En el hemisferio sur, por el contrario, el funcionamiento es exactamente al revés. Además, la geografía –distribución de mares y continentes– y la orografía del terreno así como las características de la rugosidad, que tiene en consideración la vegetación y áreas urbanas, son factores que influyen en el clima de un lugar determinado, por lo que todos estos factores mencionados determinan la dinámica de la atmósfera, dando lugar a que el movimiento del

1. W ind

and its origin

Wind energy comes indirectly from solar energy. The electromagnetic radiation received by the Earth from the sun amounts to 1.74·1017 W, for an annual energy of 5.48·1024 J. Approximately 1 % of that total is converted into potentially harnessable kinetic wind energy. Globally speaking, in the upper layers of the atmosphere wind is generated due to uneven heating on Earth, in turn the result of variations in solar radiation with latitude, the planet’s rotation on its axis and its orbit around the sun. As solar radiation is more intense at the equator than at the poles, heat is conveyed from the former to the latter. If the Earth did not spin, air masses would rise in the warmest zones, circulate in the upper part of the atmosphere and then sink in the colder areas. Since the Earth does rotate, however, atmospheric circulation in general is subject to the Coriolis effect: in the northern hemisphere wind tends eastward in the upper strata of the atmosphere and westward in the lower layers and vice-versa in the southern hemisphere. Moreover, geography (the distribution of seas and continents) and the lay of the land as well as its roughness, including plant life and urban construction, affect the climate in any given location. Due to the atmospheric dynamics determined by all these factors, planetary air moves in extraordinarily complex and turbulent ways. Moreover, it is characterised by a wide spectrum of spatial and time scales, from millimetres to kilometres and from seconds to months, across which turbulenceinduced energy is distributed and transferred from the smallest to the largest. 145


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

aire en ésta sea un movimiento turbulento de extraordinaria complejidad, caracterizado por un amplísimo rango de escalas espaciales, desde los milímetros hasta los miles de kilómetros, y temporales, desde segundos hasta meses, en el que la energía de la turbulencia se distribuye en las distintas escalas mencionadas y es transferida en cascada desde unas escalas a otras más pequeñas. El viento global es el que sucede en torno a los 10 000 km de altura. En la macroescala –o escala sinóptica– el viento existente se denomina geostrófico y es el que se refleja en los mapas meteorológicos para representar o predecir el tiempo atmosférico, en los que aparecen borrascas, frentes fríos y cálidos, etc. Los fenómenos que intervienen en el análisis del tiempo atmosférico reflejado en dichos mapas ocurren en una escala espacial del orden de al menos 1 000 km. En una escala más pequeña, denominada mesoescala –del orden de 10 a 500 km– tienen lugar los vientos locales debidos a gradientes térmicos y a características topográficas del terreno como valles y cordilleras. El rango de escalas más pequeñas que se consideran en meteorología constituye la denominada microescala, en la que se analizan fenómenos que tienen lugar en escalas inferiores a 10 km, como los debidos, por ejemplo, a obstáculos tales como colinas.

2. La A tmósfera La atmósfera terrestre es la capa de gas que cubre la superficie de la Tierra y que, debido a la acción de la gravedad, es atraída por ésta y se encuentra estratificada. Se pueden diferenciar varias capas dentro de ella, en las que las propiedades físicas son distintas debido a diferencias en su composición y densidad. Las capas son las siguientes: Troposfera Se encuentra en contacto con la superficie terrestre y en ella se producen todos los fenómenos meteorológicos. En promedio, la temperatura disminuye con la altura sobre el terreno de forma lineal. La troposfera se encuentra achatada por los 146

Global wind blows at an altitude of around 10 000 km. Geostrophic, i.e., macro- or synoptic scale, wind is shown on weather maps to represent the low pressure areas, cold and warm fronts and so on used to forecast the weather. The spatial scale of the events reflected on such maps is measured in units of at least 1 000 km. The next smaller or mesoscale, covering from around 10 to 500 km, is concerned with local winds generated by thermal gradients and topographic features such as valleys and mountain ranges. The smallest scale addressed in meteorology, the microscale, analyses events within radii of under 10 km, induced by obstacles such as hills.

2. The A tmosphere The Earth is wrapped in its atmosphere, the stratified layer of gas attracted to it by the force of gravity. This cloak is divided into the following strata, distinguished primarily by the differences in their composition and density. Troposphere This is the layer in contact with the surface of the planet, where all meteorological events occur. On average, temperature declines linearly with above-ground height. The troposphere, 11 km thick on average, tapers toward the poles and accounts for around 75 % of the total atmospheric mass. The bottom of the troposphere is known as the planetary boundary layer. Stratosphere This layer, directly above the troposphere, holds the ozone (O3) that absorbs ultraviolet light. For that reason, temperature rises with altitude in this layer, which lies at 11 to 50 km above ground. Mesosphere This third layer of the atmosphere is located over the stratosphere. Here the temperature, which declines with altitude, is lower than anywhere else in the atmosphere. It skirts the planet at 50 to 80 km above the surface and contains about 0.1 % of the total atmospheric mass.


VII. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA METEOROLOGÍA

polos, tiene un espesor medio de unos 11 km y contiene del orden del 75% de la masa total de la atmósfera. La capa límite terrestre constituye la parte más baja de la troposfera. Estratosfera Es la capa situada por encima de la troposfera. En esta capa se encuentra el ozono (O3), que absorbe luz en el rango ultravioleta. Por este motivo, la temperatura aumenta con la altura en esta capa. Comprende desde los 11 hasta los 50 km de altura. Mesosesfera Es la tercera capa de la atmósfera, situada por encima de la estratosfera. En esta capa la temperatura disminuye con la altura, y se registran las menores temperaturas de la atmósfera. Contiene sólo alrededor del 0.1% de la masa total de la atmósfera. Abarca desde los 50 hasta los 80 km de altura. Termosfera En esta capa, situada por encima de la mesosfera, la densidad del aire es muy baja, y su temperatura es muy alta y aumenta con la altura. Esto se debe a que los gases se encuentran ionizados, pudiéndose alcanzar temperaturas de hasta 1 500ºC. Los gases se ionizan al absorber los rayos gamma y los rayos X provenientes del sol. En esta capa se desintegran las partículas sólidas que entran en la atmósfera, lo que da lugar a las estrellas fugaces, y también en ella se forman las auroras boreales. Va desde los 80 hasta los 500 km de altura sobre el terreno. Esta capa también es conocida como ionosfera. Exosfera Es la última capa de la atmósfera terrestre, por encima de la termosfera. Separa la atmósfera terrestre del espacio interplanetario, en el que existe un vacío casi absoluto. Su espesor no está muy definido, y puede abarcar desde los 500 hasta los 1 000 km de altura sobre el terreno. Toda la actividad meteorológica (lluvias, vientos, formación de nubes, etc.) se produce en la troposfera, es decir, en los primeros 11 km de la atmósfera.

FUNDAMENTALS OF METEOROLOGY

Thermosphere The air density in this layer, located above the mesosphere, is very low, while the temperature is very high and rises with altitude. The reason is that its gases absorb X- and gamma rays from the sun, which raise their temperature to up to 1 500 °C. This is also the layer where solid particles entering the atmosphere disintegrate, giving rise to falling stars, and where aurora boreales form. Also known as the ionosphere, this stratum lies at 80 to 500 km above the surface of the Earth. Exosphere This is the outer-most layer of the atmosphere, located above the thermosphere. It separates the Earth’s atmosphere from the nearly absolute vacuum of interplanetary space. It circles the planet at 500 to 1 000 km above ground, although its thickness is only vaguely defined. All meteorological activity (such as rain, wind or cloud formation) takes place in the troposphere, i.e., in the bottom 11 km of the atmosphere. Altura (km) / Height 600 Exosfera / Exosphere

500 400 300 200

Troposfera / Troposphere Termosfera / Thermosphere

100 0 - 100

Mesosfera / Mesosphere Estratosfera / Stratosphere 0

100

200

300

400

500

T (ºC)

Fig. 2. Variación de la temperatura a lo largo de las capas de la atmósfera Fig. 2. Temperature variation across the layers of the atmosphere 147


CON EL VIENTO A FAVOR

3. La C irculación

WITH A FAIR WIND

a nivel global .

M acroescala

El modelo de circulación más sencillo –si no existiera el movimiento de rotación de la tierra con respecto a su eje– sería el considerar un movimiento por convección del aire en la troposfera, dando lugar a una celda de circulación en superficie desde los polos hacia el Ecuador, y en sentido inverso en altura. Esta circulación tendría su origen en que en la zona del Ecuador el aire en contacto con el terreno se calienta, asciende y se dirige en altura hacia los polos, donde, debido al enfriamiento, desciende y retorna hacia el Ecuador al nivel de la superficie terrestre. Sin embargo, el modelo real de circulación global del aire resulta más complejo, y queda definido de una manera simplificada de la siguiente manera: 1) Celda de Hadley: tiene lugar en una franja aproximada de unos 30º de latitud norte y sur desde el ecuador. En el ecuador existe un cinturón de bajas presiones que rodea al planeta denominado depresión ecuatorial, provocado por la ascensión del aire caliente producido en esas latitudes. Al subir, el aire se enfría en contacto con las capas altas de la troposfera y pierde gran parte de la humedad que contenía, que generalmente la descarga en forma de lluvia, volviendo a descender. Se crean así los denominados vientos Alisios del noreste en el hemisferio norte y Alisios del sudeste en el hemisferio sur. 2) Celda Polar: ocurre entre los 60º y los polos. A los 60º de latitud se produce un ascenso por convección térmica –el aire se calienta desde la superficie terrestre y asciende– desplazándose en altura hacia los polos. Entonces, el aire que se encuentra a gran altura se enfría y desciende, lo que produce una compresión del aire y un flujo a nivel de la superficie terrestre dirigido hacia el Ecuador. Este desplazamiento se ve afectado por la fuerza de Coriolis, que da lugar a una desviación en superficie hacia el Oeste. Estos vientos se conocen como vientos polares del Este. 3) Celda de Ferrel: esta celda se encuentra entre las dos anteriores, entre los 30º y 60º de latitud. Su circulación se ve 148

3. Global C irculation. M acroscale In the simplest circulation model (which assumes that the Earth does not rotate on its axis), convection would cause the air in the troposphere to circulate on the surface from the poles toward the equator and in the opposite direction at higher altitudes. The driving force for such circulation would be the warming of the air in contact with the Earth at the equator. That air would rise and flow toward the poles, where it would cool, sink and then flow back to the equator along the surface. The actual model for planetary air circulation is more complex, however. A simplified explanation follows. 1) Hadley cells: circulation in two strips approximately 30° of latitude wide, one north and the other south of the equator. A low pressure belt known as the equatorial trough circles the planet at the equator, prompted by the rise of warm air at these latitudes. As it rises to the higher layers of the troposphere, the air cools and discharges much of its moisture, normally in the form of rain, and then sinks back to the surface. This generates the so-called northeast westerlies (or trade winds) in the northern hemisphere and the southeast westerlies in the southern hemisphere. 2) Polar cells: circulation between 60° latitude and the poles. At 60° latitude surface air warms and rises due to thermal convection, flowing toward the poles at high altitudes. The air at the highest altitudes cools and sinks, compressing the air below and inducing surface level flow toward the equator. That flow is deflected westward by the Coriolis effect, generating what are known as the eastern polar winds. 3) Ferrel cells: these cells, located at 30° to 60° latitude, are sandwiched between the Hadley and Polar cells, which drive air circulation in these strips. At 30º latitude air sinks, flowing toward the poles along the surface and rising at 60° latitude, where it closes the loop. This very unstable cell generates surface wind predominantly from the west, although as its direction and intensity vary substantially, it plays a key role in global heat balance.


VII. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA METEOROLOGÍA

FUNDAMENTALS OF METEOROLOGY

N

Polo norte North pole

Vientos polares del este Polar winds from the east

Celda polar Polar cell

60º

Celda de Ferrel Ferrel cell

Vientos del oeste Winds from the west

30º

Celda de Hadley Hadley cell

Alisios del NE NE westerlies

Celda de Hadley Hadley cell

Alisios del SE SE westerlies

30º

Vientos del oeste Winds from the west

Celda de Ferrel Ferrel cell

60º

Vientos polares del este Polar winds from the east

Celda polar Polar cell

Polo sur South pole

S Latitud Latitude 90º - 60º N 60º - 30º N 30º - 0º N Dirección NE / NE SO / SW NE / NE Direction

forzada por las celdas de Hadley y Polar. El aire se ve forzado a descender hacia la superficie a los 30º de latitud, y se desplaza hacia los polos a nivel de la superficie terrestre. Cuando llega a los 60º de latitud, el aire asciende y cierra el ciclo de circulación. Esta celda es muy inestable y produce vientos predominantes del Oeste en superficie, de intensidad y dirección muy variables, lo que hace que esta celda sea de gran importancia en el balance de calor a nivel global. El cinturón de altas presiones existente en torno a 30º latitud N se desplaza también estacionalmente. Así, por ejemplo, las islas Canarias tienen vientos Alisios del NE en verano consecuencia del mismo.

0º - 30º S 30º - 60º S 60º - 90º S SE / SW

NO / NW

SE / SE

(izquierda / left) Fig. 3. Circulación del aire a nivel global Fig. 3. Global atmospheric circulation (derecha / right) Fig. 4. Circulación global de la atmósfera: cinturones de presiones y principales vientos Fig. 4. Global atmospheric circulation: pressure belts and main winds

The high pressure belt at around 30° north latitude shifts seasonally. The Canary Islands, for instance, receive NE westerlies in the summer as a result. 149


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

4. Los E fectos Locales. M esoescala Las condiciones geográficas locales son a veces la causa de tendencias de viento que se superponen a los mapas de velocidad de viento globales. Estas condiciones producen calentamientos y enfriamientos de la atmósfera que dan lugar a pequeñas diferencias de presión que a su vez son el origen de vientos locales y/o regionales que se manifiestan con más intensidad cuando los vientos globales son débiles. Estos vientos locales pueden tener un origen exclusivamente térmico y/o ser producidos por la orografía.

4. Local

4.1 Vientos de Origen Térmico Entre los principales vientos térmicos se encuentran las brisas entre el mar y montañas costeras, los vientos de ladera de montaña y las brisas entre la montaña y valle.

4.1 Thermally generated winds Thermal winds primarily include the breeze blowing between the sea and coastal mountains, mountain slope winds and mountain-valley breezes.

Brisas entre el mar y la montaña En las zonas costeras, durante las horas de sol la tierra se calienta más rápidamente que el mar, lo cual hace que el aire situado sobre ella ascienda, ocasionando la formación de vientos que soplan hacia la tierra en superficie y en sentido contrario en altura. Durante la noche el aire del mar es más cálido y la circulación es a la inversa (fig. 5).

Sea - coastal mountain breezes In coastal areas, the dry inland air rises during the daylight hours when it warms faster than the air over the sea, generating wind that blows landward on the surface and seaward at higher altitudes. At night when the air over the sea is warmer, the breeze changes direction (Fig. 5).

Vientos de ladera de montaña Tienen lugar en valles entre montañas. Tras la salida del sol, las laderas se calientan y comienzan sobre ellas flujos de aire ascendente, o vientos anabáticos. Por la noche el sentido del viento se invierte convirtiéndose en un flujo ladera abajo, o viento catabático (fig. 6).

These winds blow in valleys between mountains. After sunrise, the slopes warm and air begins to flow upward, inducing anabatic wind. At night the wind changes direction, sloping downward to generate catabatic wind (Fig. 6).

Brisas entre la montaña y el valle Cuando la situación atmosférica es estable y al nubosidad escasa se desarrollan en los valles vientos similares a las brisas costeras. Por la mañana, la brisa sopla valle arriba aumentando la fuerza hasta después del medio día, para luego decaer y cesar antes de la puesta del sol. Tras la puesta del sol un viento frio sopla valle abajo. La brisa nocturna es más regular que la diurna. Este viento es conocido como viento cañón (fig. 7). 150

effects .

M esoscale

At times, local geographic conditions may cause mesoscale winds that overlap with global winds on velocity maps. Such conditions generate atmospheric warming and cooling that give rise to small pressure differences, in turn the source of local or regional winds (or both) that are at their strongest when global winds are weak. Local winds may be the outcome of exclusively thermal effects or of the lay of the land.

Mountain slope winds

Breezes between mountain and valley When atmospheric conditions are stable and skies are scantly cloudy, winds similar to sea breezes arise in the valley. In the morning, an upslope wind blows, growing in strength until after midday, declining thereafter and disappearing altogether after sunset. A cold downslope wind blows after nightfall. This breeze, which is more stable at night than during the day, is known as canyon wind (Fig. 7).


VII. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA METEOROLOGÍA

FUNDAMENTALS OF METEOROLOGY

Circulación durante el día / Daytime circulation

Brisa de valle / Valley breeze

Circulación durante la noche / Night time circulation

Brisa de montaña / Mountain breeze

(izquierda / left) Fig. 5. Brisas entre el mar y montañas costeras Fig. 5. Coastal breeze (arriba-derecha / above right) Fig. 6. Vientos de ladera de montaña Fig. 6. Mountain slope winds (abajo derecha / below right) Fig. 7. Brisas entre montaña y valle Fig. 7. Breezes between mountain and valley 151


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

4.2 Vientos de Origen Orográfico La topografía da lugar a perturbaciones en la circulación general. De este modo, los accidentes orográficos tales como cadenas montañosas, acantilados, etc, originan pequeñas perturbaciones que favorecen la existencia de puntos singulares donde la velocidad del viento se incrementa. Un ejemplo de un viento muy conocido de este tipo es el que se produce cuando una masa de aire cálido y húmedo se encuentra con la ladera de una montaña y se ve obligada a ascender para salvar este obstáculo, siendo conocido este fenómeno como efecto Foehn (fig. 8). El vapor de agua que contiene este aire caliente y húmedo que incide sobre la montaña, a medida que asciende se transforma en nubes. Algunas de ellas pueden precipitar en forma de lluvia y otras se quedarán en la cima, por el efecto barrera. Es entonces cuando el viento, ya casi sin vapor de agua, se convierte en un viento seco, e inicia el rápido descenso por la otra ladera provocando el fenómeno inverso. Es debido al gran contraste climático, por lo que las nubes se deshacen, el tiempo se despeja, el aire se calienta, la humedad es escasa y la temperatura va aumentando. 4.3 Principales vientos locales de España –– Cierzo: sopla en el Valle del Ebro –– Levante: sopla en el Estrecho Gibraltar y Murcia –– Leberche: afecta a Murcia y procede del Sahara –– Tramontana: viento regional del Ampurdán en Cataluña –– Xaloc: sopla en Baleares y procede del Sahara –– Galerna: sopla en la costa Cantábrica –– Abrego: viento regional de las dos Castillas, Extremadura y Andalucía. (pág. siguiente / opposite page) Fig. 9. Variación de la velocidad del viento por efecto de obstáculos: efecto resguardo (izquierda) y efecto estela (derecha) Fig. 9. Obstacle-induced variation in wind speed: effect of shelter on wind flow (left) and wake effect (right) 152

4.2 Winds generated by the terrain Topography gives rise to disturbance in general wind circulation. Obstacles such as mountain ranges or cliffs cause tiny disturbances that favour the existence of unique points where wind speed rises. One very well known example is the Foehn effect (Fig. 8), a wind generated when a mass of warm, moist air rises to cross over high ground, such as a mountain. Topography, a mountain slope in this case, forces the mass of warm, most air upward. Water vapour condenses and clouds form, some of which drop precipitation in the form of rain while others are trapped at the summit (barrier effect). The dried air then sweeps down the other side of the mountain as atmospheric pressure and hence temperatures rise. As this warm air rises, the water vapour it carries forms clouds, some of which may drop precipitation in the form of rain while others are trapped at the summit due to the barrier effect. That is when the wind, nearly devoid of water vapour, sweeps down the opposite side of the mountain, inducing the reverse phenomenon. The huge contrast in climate causes the clouds to dissipate and the skies to clear; the air warms, moisture is scant and the temperature rises as a result. Fig. 8. Efecto Foehn / Fig. 8. Foehn effect Aire caliente y húmedo Warm, moist air

Aire caliente y seco Warm, dry air


VII. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA METEOROLOGÍA

5. La circulación a nivel de la microescala A nivel de la microescala, también puede haber muchos factores que influyan considerablemente en el viento. Entre los más importantes pueden considerarse los obstáculos, resguardo, así como determinadas condiciones orográficas especiales, como son el efecto túnel y la existencia de colinas. 5.1 Obstáculos Un obstáculo es un elemento que disminuye la velocidad del viento aguas abajo del mismo tras el paso del viento. Además, produce un flujo de viento turbulento en una cierta área a sotavento del mismo. Los obstáculos con más influencia en la velocidad del viento son las edificaciones o también las grandes masas arbóreas. 5.2 Efectos colina y túnel En el caso de un flujo de aire sobre una colina suave, en la que las pendientes no son muy pronunciadas, se produce una reducción de la distancia entre las líneas de corriente en proximidad del punto más alto de la colina y por tanto una aceleración del flujo que lleva consigo un incremento de velocidad. Este efecto puede observarse en la siguiente figura, donde se representa el perfil de velocidades correspondiente a una zona llana y el perfil de velocidades de ese mismo flujo en la cima de una pequeña loma. Este mismo efecto se produce en pasos estrechos entre dos montaña, lo que se conoce como efecto túnel.

FUNDAMENTALS OF METEOROLOGY

4.3 Main local –– Cierzo: –– Levante: –– Leberche:

winds in Spain blows in the River Ebro Valley blows in the Strait of Gibraltar and Murcia blows from the Sahara Desert and affects Murcia –– Tramontana: blows regionally in Catalunya’s Ampurdan County –– Xaloc: blows from the Sahara Desert across the Balearic Isles –– Galerna: blows along the coast of the Bay of Biscay –– Abrego: blows regionally in Castile-Leon, Castile-La Mancha, Extremadura and Andalusia.

5. M icroscale C irculation Many microscale factors may also have a substantial effect on the wind. Some of the most significant include obstacles and certain special conditions of the terrain, such as the tunnel effect or the existence of hills. 5.1 Obstacles An obstacle is an element that reduces wind velocity downstream of the element itself. Moreover, it generates turbulence in a certain leeward area. The obstacles with the greatest effect on wind speed are buildings and large forests.

153


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

l

Incremento de la velocidad del viento Rise in wind speed 2L

l

Incremento de la velocidad del viento Rise in wind speed 2L

Fig. 10. Efecto colina

6. La R ugosidad

Fig. 10. Hill effect del

Terreno

A una altura de alrededor de 1 km sobre el suelo la superficie terrestre apenas ejerce influencia sobre el viento. Sin embargo, a menores alturas, la velocidad del viento se comienza a ver afectada por la fricción o rozamiento con la superficie terrestre. Lógicamente, cuanto mayor sea la rugosidad del terreno mayor será la ralentización que sufra el viento. Así, los bosques o las ciudades, por ejemplo, provocan un freno mucho mayor al viento que el que mucho el viento no así los lagos o las superficies de terreno con monte bajo. La rugosidad se evalúa mediante un parámetro llamado longitud de rugosidad, Z0, cuyo sentido físico es la altura a la cual la velocidad medida es cero cuando el viento tiene una variación logarítmica con la altura. Esta longitud de rugosidad, dependiendo de su valor, se suele clasificar con un número de 0 a 3, correspondiendo la rugosidad clase 0 a áreas en las que haya presencia de mar o lagos, desiertos y nieve fundamentalmente –en definitiva, zonas en las que la Z0 es muy pequeña– y la rugosidad clase 3 a la presencia de vegetación muy abundante y de elevado porte, como pueden ser bosques y selvas, así como con entornos urbanos y rurales con alto índice de edificación. Las rugosidades de clases 1 y 2 corresponderían a terrenos intermedios.

154

5.2 Hill and tunnel effects When air flows over a low, gently sloped hill, the distance between the current lines declines at the hilltop. The concomitant acceleration in the flow raises wind speed. The effect is illustrated in the figure above, which shows the profile of air flow speeds in a flat area and the profile of the same flow at the top of a small hill. When generated in narrow mountain passes, this same chain of events is known as the tunnel effect. 6. Terrain Roughness At an altitude of around 1 km above ground, the Earth’s surface has barely any effect on the wind. At lower heights, however, wind speed is impacted by friction against the surface. The rougher the terrain, the greater the effect. Forests or cities, for instance, curb wind speed more than water-covered areas (such as lakes or seas) and areas with low-lying shrubs. Roughness is assessed in terms of a parameter known as dynamic roughness, Z0, which physically speaking means the height at which mean speed is zero when the wind varies logarithmically with height. Depending on its value, dynamic roughness is generally ranked on a scale of 0 to 3, in which 0 means areas characterised by the presence of seas, lakes, deserts or snow (i.e., where Z0 is very small) and 3 areas with very dense, tall plant life, such as forests and jungles, or densely constructed urban or rural environments. Intermediate terrains are assigned roughness values of 1 or 2.


VII. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA METEOROLOGÍA

Rugosidad clase 0 / Roughness class 0

Rugosidad clase 1 / Roughness class 1

Rugosidad clase 2 / Roughness class 2

Fig. 11. Rugosidad del terreno

Fig. 11. Terrain roughness

7. La

7. V ariation

variación del viento con la altura

El viento por encima de cierta altura está regido por el equilibrio entre las fuerzas de presión y de Coriolis, aunque a medida que va descendiendo hacia la superficie terrestre sufre un rozamiento con el suelo y es frenado por el mismo. Este fenómeno ocurre dentro de la capa límite terrestre que tiene un espesor variable con las condiciones climatológicas. Un valor típico del espesor podría ser 1-2 km. La parte inferior de la capa límite terrestre se conoce como capa superficial, representando aproximadamente un 10 % del espesor de la capa límite, es decir aproximadamente sus primeros 100 o 150 primeros metros. Dentro de la capa límite terrestre, la velocidad del viento varía con la altura debido al rozamiento con la superficie terrestre. Este efecto se conoce como cortadura vertical del viento. Habitualmente suelen considerarse dos leyes diferentes que se relacionan la velocidad del viento con la altura sobre el terreno en la capa superficial de la atmósfera.

7.1 Ley potencial de variación del viento con la altura

FUNDAMENTALS OF METEOROLOGY

in

W ind

with

Rugosidad clase 3 / Roughness class 3

H eight

Above a certain height the wind is governed by the equilibrium between pressure and Coriolis forces, although as it sinks toward the surface, it is slowed by ground friction. This takes place in the planetary boundary layer, the thickness of which varies with climate, although typical values are on the order of 1-2 km. The bottom of the boundary layer, known as the surface layer, accounts for approximately 10 % of the total thickness, i.e., the 100-150 metres closest to the ground. Wind speed in the planetary boundary layer varies with height due to friction with the surface. This effect is known as vertical wind shear. Two equations are normally used to relate wind speed to the above-ground height in the surface layer of the atmosphere.

7.1 Power equation for wind shear The power equation is:

La ley potencial se define mediante la fórmula: where: 155


WITH A FAIR WIND

donde : zr: es una altura de referencia en la que mide una velocidad del viento v(zr): es la velocidad del viento a la altura de referencia. v(z): es la velocidad a determinar (en m/s) z: altura en m para la cual se quiere determinar la velocidad del viento α: denominado exponente ley potencial o de cizalladura, depende de la rugosidad del terreno, de la velocidad del viento y del grado de estabilidad atmosférica, y su valor en cada emplazamiento podría ser determinado experimentalmente. En la Tabla 1 se da el rango de variación en funcion de la rugosidad del terreno. TABLA 1 / TABLE 1

Valores de α para diferenes tipos de terreno y rugosidad Value of α by terrain type and roughness Grado de rugosidad Roughness

Tipo de terreno Terrain type Mar, arena, nieve Sea, sand, snow Hierba, cultivos Grass, crops Bosques, edificaciones Forests, buildings

Liso / Smooth Rugosidad moderada Moderately rough Rugoso / Rough Muy rugoso / Very rough

Ciudades / Cities

Altura sobre el suelo (m) / Height above ground

CON EL VIENTO A FAVOR

0.10 - 0.13

v ( z1 )

donde: 156

ln ( z 2 z 0 ) ln ( z1 z 0 )

60

0.13 - 0.20 0.20 - 0.27 0.27 - 0.40

α = 0.40 α = 0.25 α = 0.16 α = 0.10 α = 0.06

40 20

0

8 2 4 6 Velocidad del viento (m/s) / Wind speed

10

Fig. 12. Variación potencial del viento para diferentes valores de alfa Fig. 12. Variation in wind speed for different values of alpha Fig. 13. Ley potencial en función del valor de alfa para diferentes tipo de rugosidad (zonas urbana, rústica y de costa) Fig. 13. Power equation results by value of alpha for different types of terrain (urban, rural and coastal)

Altura (m) Height 500

=

80

α

7.2 Ley logarítmica de variación del viento con la altura La ley logarítmica se utiliza menos que la potencial ya que una de las variables con la que se formula depende de la observación superficial del terreno a través de la definición de la rugosidad del mismo. En efecto, dicha ley obedece a la siguiente formula: v (z 2 )

100

375

Zona urbana Urban area v = 45 m/s α = 0.4 100% 90% 80%

250 125

70% 60%

Zona rústica Rural area

Costa Coast

v = 45 m/s α = 0.28 100% 90% 80% 70% 60%

v = 45 m/s α = 0.14 100% 90% 80%


VII. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA METEOROLOGÍA

FUNDAMENTALS OF METEOROLOGY

zr: is a reference height at which wind speed is measured Altura sobre el suelo (m) / Height above ground

1.000

100

z0 = 0.02 m vg = 12 m/s Tipo de atmósfera / Type of atmosphere

10

0

1. Inestable / Unstable 2. Algo inestable / Fairly unstable 3. Neutra / Neutral 4. Algo estable / Fairly stable 5. Estable / Stable 6. Muy estable / Very stable 20 5 10 15 Velocidad del viento (m/s) / Wind speed

Fig. 14. Variación potencial del viento para diferentes tipos de atmósferas Fig. 14. Variation in the power equation with height for different types of atmospheres

v(z2): Velocidad viento a altura 2 en m/s c(z1): Velocidad del viento a altura 1 en m/s z2: Altura 2 en m z1: Altura 1 en m z0: Rugosidad superficial del terreno.

v(zr): is the wind speed at the reference height v(z): is the speed to be determined (in m/s) z: is the height in m for which the wind speed is to be determined α: alpha is the so-called power or shear equation exponent, which depends on terrain roughness, wind speed and atmospheric stability; its value at any given site may be determined experimentally. Table 1 gives the range of variation by terrain roughness.

7.2 Logarithmic equation for wind shear The logarithmic equation is used less than the power equation because one of the variables involved calls for defining terrain roughness. The equation is as follows: v (z 2 ) v ( z1 )

=

ln ( z 2 z 0 ) ln ( z1 z 0 )

where: v(z2): v(z1): z2: z1: z0:

wind speed in m/s at height 2 wind speed in m/s at height 1 height 2 in m height 1 in m surface roughness of the terrain.

7.3 Perfiles de viento para distintos tipos de atmósferas

7.3 Wind profiles for different types of atmospheres

Existe un fenómeno curioso conocido como inmersión térmica por el cual, si la atmosfera es inestable –como ocurre por ejemplo en días soleados de poco viento- la velocidad del viento podría incluso disminuir con la altura. La consideración de este hecho es muy importante, pues implica que no siempre resultará positivo el incremento en la altura del aerogenerador a los efectos de capturar mayor energía.

One rather curious phenomenon known as thermal inversion occurs when the atmosphere is unstable, such as on nearly windless sunny days. Under such circumstances, wind speed may decline with height. This is an important development to bear in mind, for it means taller wind turbines may not necessarily capture more wind energy.

157


158


VIII. CARACTERIZACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO • CHARACTERISATION OF WIND POTENTIAL CONSUELO ALONSO

1. Potencia E ólica Disponible E n E l V iento

1. Power A vailable

La energía cinética contenida en una masa de aire, m, moviéndose a una velocidad, v, responde a la expresión:

The kinetic energy contained in a mass of air, m, moving at speed v can be expressed as:

E = ½ m ∙ v2 Si se tiene en cuenta que el valor de la densidad del aire es ρ = m/V y el volumen de viento de aire que llega a un rotor de área A en un tiempo t es V = A· v· t, la energía cinética que aporta el viento al rotor adoptará la siguiente expresión:

E = ½ m ∙ v2 Given that air density is ρ = m/V and the volume of air reaching a blade with area A in time t is V=A· v· t, the kinetic energy delivered by wind to the blade can be expressed as:

E = (½) ρ· V· v2 = (½) ρ· A· v· t· v2 Y, por tanto, la potencia eólica disponible como medida de la energía por unidad de tiempo:

Therefore, the power available in wind expressed as energy per unit of time is:

in

W ind

E = (½) ρ· V·v2 = (½) ρ·A∙ v ∙ t ∙ v2

Pd = E/t= (½) ρ· A· v· v2 = (½) ρ· A· v3

where:

D v

A

Pd s available power [W] A is the area swept by the blade [m2] v is wind speed [m/s] ρ is air density [kg/m3].

The above expression shows that the power available in a mass of flowing air is heavily dependent upon wind speed, given that it is proportional to v3, and proportional as well to the area exposed to the air flow, i.e., the area swept by the blade.

2. H arnessable W ind Power

vt

Fig. 1. / Fig. 1.

Further to the principle of the conservation of energy, it is physically impossible to extract all the mechanical power from the wind. The amount of harnessable power depends on both the wind power available and the characteristics of the machine, as in the following expression: 159


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Pd = E/t= (½)· ρ·A· v· v2 = (½) ρ· A· v3

Siendo las unidades de las magnitudes anteriores, en el Sistema Internacional:

Potencia eólica disponible Available wind power Potencia eólica máxima aprovechable (Límite de Betz) Maximum harnessable wind power (Betz limit) Potencia eólica aprovechable Harnessable wind power

Pd = Potencia disponible [W] A = Área barrida por el rotor [m2] v = velocidad del viento [m/s] ρ = Densidad del aire en [kg/m3]

2. Potencia E ólica A provechable en el V iento La existencia de la ley de conservación de la masa hace que no resulte físicamente posible extraer toda la potencia mecánica del viento. La cantidad de potencia aprovechable, por tanto, dependerá –además de la potencia eólica disponible– de las características de la máquina. Pa = Cp· (½) ρA· v3 Siendo, Cp el coeficiente de potencia.

Este coeficiente expresa, por tanto, la fracción de potencia capturada por el rotor del aerogenerador y es función, para cada máquina, de la velocidad del viento. El físico alemán Betz estableció en su teoría de la cantidad de movimiento, el máximo valor teórico de Cp en 16/27 o 0.59. A este valor se le denomina límite de Betz y representa el máximo valor posible de la fracción de potencia disponible en el viento que es capaz de obtener un aerogenerador (rendimiento). En la práctica, su valore real para los actuales aerogeneradores tripala que copan el mercado actual alcanza valores por debajo de 0.45. 160

0

5

10

15

20

25

v (m/s)

Fig. 2. Límite de Betz Fig. 2. Betz limit

Coeficiente de potencia (Cp ) / Power coefficient

De este modo, en primer lugar se observa la importante dependencia de la potencia disponible en las masas de aire en movimiento con la velocidad del viento, pues la primera es proporcional al cubo de la segunda. Adicionalmente, se tiene que esta misma potencia resulta proporcional al área expuesta a la corriente de aire, es decir al área barrida por el rotor.

0.6

Límite de Glauert Glauert limit

0.5

Límite de Betz (Cp = 0,59) / Betz limit 3 palas 3 blades

2 palas 2 blades

1 pala 1 blade

0.4 0.3 Rotor Darrieus Darrieus rotor

0.2

Rotor multipala Multi-blade rotor

0.1

Rotor Savonious Savonious rotor

2

4

3 palas 3 blades

2 palas 2 blades

6 8 10 12 14 Velocidad específica (λ) / Specific speed

1 pala 1 blade

16

18

Fig. 3. Coeficiente de Potencia de un aerogenerador con control de potencia y paso fijo Fig. 3. Power coefficient


VIII. CARACTERIZACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO

2.1 Coeficiente de Potencia El coeficiente de potencia mide la eficiencia de conversión de la energía cinética en energía mecánica. En la fugura 3 se presenta el Coeficiente de potencia, Cp para distintos tipos de aeroturbinas en función del cociente entre la velocidad de la punta de la pala y la velocidad del viento (λ): 2.2 Coeficiente de Empuje La fuerza que ejerce el viento sobre el aerogenerador es igual y opuesta a la que este ejerce este sobre el aire. Esta última fuerza frena el aire y origina la estela (área en donde se extiende una masa turbulenta de viento aguas abajo del aerogenerador). Cuanto mayor sea más intensa será la estela y mayor área de turbulencia. Se expresa con el coeficiente de empuje: CT =

F 1 2 ≠D 2 rv 2 4

D: diámetro aerogenerador F: fuerza de empuje vhub: velocidad viento altura de buje

A veces se da en función del llamado coeficiente de velocidad inducida a a=

1 - 1 - CT 2

(2a) es la velocidad que pierde el viento al pasar por el aerogenerador.

2.3 Curva de potencia de un aerogenerador La caracterización de un aerogenerador se hace a través de su curva de potencia que relaciona la potencia suministrada en función de la velocidad del viento. Antes de entrar a describir la curva de potencia, conviene recordar los sistemas de regulación de la misma que básicamente hasta el día de hoy han sido utilizados en los aerogeneradores modernos:

CHARACTERISATION OF WIND POTENCIAL

Pa = Cp· (½) ρ· A· v3 where Cp is the power coefficient. The power coefficient denotes the fraction of power captured by a wind turbine blade and depends, for each machine, on wind speed. According to German physicist Betz’s theory of wind machines, the maximum theoretical value of Cp is 16/27 or 0.59. Known as the Betz limit, this value is the maximum possible fraction of the power available in the wind that can be captured by a wind turbine (performance). In practice, the actual value for the three-blade machines that presently prevail on the market is under 0.45.

2.1 Power Coefficient The power coefficient measures the efficiency of the conversion of kinetic to mechanical energy. Figure 3 shows the power coefficient, Cp, for different types of wind turbines by the ratio between the speed at the tip of the blade and wind speed, known as the tip speed ratio. (λ): 2.2 Thrust Factor The force exerted by the wind on the turbine is met with an equal and opposite force exerted by the turbine. The latter curbs the air flow, generating a wake (area affected by a turbulent wind mass downstream of the turbine). The greater the force, the more intense the wake effect and the larger the area affected by turbulence. The thrust factor is expressed as follows: CT =

F 1 2 ≠D 2 rv 2 4

where: D is the wind turbine diameter F is thrust vhub is wind speed at hub height.

161


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Control por pérdida aerodinámica (stall control o paso fijo) A partir de un determinado valor de la velocidad incidente del viento, se produce la disminución de la fuerza de sustentación generada por la corriente incidente sobre el perfil de la pala, a la vez que aumenta notablemente la resistencia aerodinámica. Este control se debe puramente a leyes físicas que rigen la aerodinámica, no siendo preciso llevar a cabo ninguna acción externa sobre las palas, que se unen al buje con un ángulo fijo, y no tienen, por tanto, la posibilidad de girar sobre su propio eje. Naturalmente, el perfil de la pala debe en este caso haber sido aerodinámicamente diseñado para garantizar que en momentos de alta velocidad de viento se crearán turbulencias y consecuente pérdida de sustentación, reduciéndose así la potencia entregada. El giro alrededor de su eje longitudinal al que se dota a la pala permite, por un lado, controlar la potencia y la velocidad del giro del rotor, a la vez del frenado del sistema. La principal ventaja de la solución de paso fijo es la inexistencia de partes móviles en el rotor y de sistemas de control que puedan derivar en caros y/o complejos mantenimientos. Por el contrario, la principal ventaja de la solución de paso variable es que capta más energía –en el entorno del 10-15 %– sin ser además necesario que las palas incorporen aerofrenos en su punta. En lo que respecta a la curva de potencia de cada uno de estos tipos, se muestra en primer lugar la correspondiente a una turbina de paso fijo, en la que destacan los siguientes puntos singulares: ––1. Por debajo de la velocidad de arranque (3-4 m/s para los aerogeneradores actuales) y por encima de la velocidad de parada la producción de potencia es cero, es decir el aerogenerador no funciona bien porque no hay viento suficiente o bien porque el viento es tan elevado que podría llevar al aerogenerador a condiciones inseguras de funcionamiento. ––2. Una vez superada la velocidad de arranque (3-4 m/s para los aerogeneradores actuales) se comienza a generar 162

CT 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

5

10

15

20

25

v (m/s)

Fig. 4. Curva de coeficientes de empuje de un aerogenerador Fig. 4. Thrust factor curve for a wind turbine

On occasion thrust is expressed in terms of the so-called induced speed factor as: a=

1 - 1 - CT 2

where (2 a) is the loss of wind speed induced by the turbine.

2.3 Wind turbine power curve Wind turbines are characterised by their power curve, which plots the power delivered against wind speed. In modern wind turbines, essentially two approaches are adopted to enhance the power curve. Stall control or fixed pitch Once a given incident wind speed is reached, the lift force generated by the air flowing against the edge of the blade declines and aerodynamic resistance rises considerably. This factor is governed strictly by the laws of aerodynamics and calls for no external action on the blades, which are attached to the hub at a fixed angle and do not rotate around their axis.


VIII. CARACTERIZACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO

potencia de forma directamente proporcional a la velocidad del viento incidente hasta que se alcanza la velocidad nominal (próxima a 12-14 m/s para los aerogeneradores actuales) que es aquella a la que el aerogenerador produce la potencia nominal de diseño (tramo curvo ascendente de la curva de potencia). En este tramo el aerogenerador funciona a carga parcial ––3. Por encima de la velocidad nominal y hasta la velocidad de parada (25 m/s aproximadamente para los aerogeneradores actuales) la potencia que se produce es próxima a la potencia nominal pero de menor valor (tramo curvo descendente de la curva de potencia). En este tramo el aerogenerador funciona a carga parcial. Control por cambio de paso de la pala (pitch control o paso variable) En contraposición a la anterior, en un aerogenerador con control de potencia de paso de pala variable, o pitch control, la curva de potencia es la que se adjunta, con los siguientes puntos significativos: Carga parcial Partial load

Carga parcial Partial load

Potencia (kW) / Power

600 500 400 300 200 100 0

5

Velocidad de arranque Start-up speed

10

15

Velocidad nominal Rated speed

20

25 Velocidad del viento (m/s) Wind speed Velocidad de parada Shut-off speed

Fig. 5. Curva de Potencia con control de pala fijo Fig. 5. Power curve for a wind turbine with stall control

CHARACTERISATION OF WIND POTENCIAL

The blade profile must logically be aerodynamically designed to ensure that no turbulence is generated at high wind speeds, for that would reduce lift and with it the power delivered. When blades are designed to rotate around their longitudinal axis, rotor rotational speed as well as system power and braking can be controlled. The primary advantage of the fixed pitch solution is the absence of mobile parts on the rotor and often expensive or maintenance-intensive control systems. Conversely, the main advantage of the variable pitch system is that it captures on the order of 10-15 % more energy with no need for tip brakes. The main features of the power curve for fixed pitch turbines are listed below. ––1. At under the start-up speed (3-4 m/s for today’s wind turbines) and over the shut-off speed, power output is zero; i.e., the turbine does not generate electricity either when wind speed is too low or when overly strong winds might compromise safe operation. ––2. At over the start-up speed and up to the rated speed (around 12-14 m/s for today’s turbines), which is the speed at which the turbine reaches its design rated output, the power generated is directly proportional to the incident wind speed (upward arm of the power curve). In this segment, the wind turbine operates at partial load. ––3. At over the rated speed and up to the shut-off speed (approximately 25 m/s in today’s turbines), the power generated reaches nearly the rated value (downward arm on the power curve). In this segment, the wind turbine operates at full load. Pitch control or variable pitch In variable pitch or pitch control wind turbines, in turn, the power curve is as shown opposite. The most salient features include the following. 163


WITH A FAIR WIND

––1. Por debajo de la velocidad de arranque (3-4 m/s para los aerogeneradores actuales) y por encima de la velocidad de parada la producción de potencia es nula, es decir el aerogenerador no funciona bien porque no hay viento suficiente o bien porque el viento es tan elevado que podría llevar al aerogenerador a condiciones inseguras de funcionamiento. ––2. Una vez superada la velocidad de arranque se comienza a generar potencia de forma directamente proporcional a la velocidad del viento incidente hasta que se alcanza la velocidad nominal (próxima a 12-14 m/s para los aerogeneradores actuales) que es aquella a la que el aerogenerador produce la potencia nominal de diseño (tramo curvo ascendente de la curva de potencia) ––3. Por encima de la velocidad nominal y hasta la velocidad de parada (en torno a los 25 m/s aproximadamente para los aerogeneradores actuales) la potencia que se produce es la nominal, como se deduce del tramo recto y horizontal de la curva de potencia. En la actualidad, prácticamente la totalidad de los aerogeneradores modernos actualmente en desarrollo comercial llevan incorporada la solución de control activo mediante el pitch de la pala, aunque todavía se encuentran en parques eólicos en funcionamiento ejemplos de ambos tipos.

3. V ariaciones Temporales

del

V iento

La velocidad del viento no es uniforme en el espacio ni constante en el tiempo, tal y como demuestran los siguientes registros temporales de su velocidad (fig. 7). En efecto, el viento presenta variabilidad temporal tanto de corto periodo (horaria, diaria, mensual y estacional) como de largo periodo (interanual). Las variaciones que se producen en la velocidad media del viento de un año a otro en un determinado lugar son relativa164

––1. At under the start-up speed (3-4 m/s for today’s wind turbines) and over the shut-off speed, power production is nil; i.e., the turbine does not generate electricity either when wind speed is too low or when overly strong winds might compromise safe operation. ––2. At over the start-up speed and up to the rated speed (around 12-14 m/s for today’s turbines), which is the speed at which the turbine reaches its design rated output, the power generated is directly proportional to the incident wind speed (upward arm of the power curve). ––3. At over the rated speed and up to the shut-off speed (about 25 m/s in today’s turbines), the power generated is the rated power, as inferred by the flat segment on the power curve. Today nearly all commercial wind turbines are fitted with active blade pitch control, although machines of both types are still operating in some wind farms. Carga parcial Partial load

Plena carga - Carga nominal Full load - Rated load

3 000 Potencia (kW) / Power

CON EL VIENTO A FAVOR

2 500 2 000 1 500 1 000 500 0

5

Velocidad de arranque Start-up speed

10

15

Velocidad nominal Rated speed

20

25 Velocidad del viento (m/s) Wind speed Velocidad de parada Shut-off speed

Fig. 6. Curva de Potencia en un aerogenerador con control de potencia de paso de pala variable o pitch control Fig. 6. Power curve for a wind turbine with pitch control


VIII. CARACTERIZACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO

mente pequeñas, aunque para determinar de manera fiable la velocidad media del viento en una zona o región determinada suele ser necesario hacer mediciones durante un periodo del orden de 5 años. Cuando las escalas de tiempo son más pequeñas que las anuales, las variaciones en la velocidad del viento se hacen más impredecibles. A pesar de ello, suelen encontrarse variaciones cíclicas con un periodo de un día, como ocurre en los vientos locales de origen de gradientes térmicos y a las características topográficas del terreno. Es posible también hacer una estimación de la intensidad y dirección del viento en un cierto lugar y para un intervalo de varios días si se estudia la evolución de una borrasca o de un anticiclón, ya que están asociados a fenómenos que ocurren en escalas espaciales grandes y que dan lugar a variaciones temporales en periodos del orden de unos pocos días. Por último, el carácter turbulento del flujo en la atmósfera hace que en periodos de tiempo del orden de un minuto el valor de la velocidad del viento fluctúe de manera impredecible y aparentemente aleatoria. En la figura 7 se muestra el espectro de cómo se distribuye la energía cinética del viento para las distintas frecuencias: macroescala (desde un día a un mes), mesoscala (desde una hora a un día) y microescala (desde unos pocos minutos hasta un día). Hacia la derecha del pico de alrededor de un minuto están las escalas que contienen la energía cinética de la turbulencia. A la izquierda de la figura se puede apreciar un máximo poco pronunciado que refleja las variaciones diarias y otro mucho más importante, en torno a los 4 días, que refleja variaciones debidas al paso de anticiclones o borrascas.

3. V ariations

CHARACTERISATION OF WIND POTENCIAL

in wind over time

Wind speed is neither even in space nor constant over time, as the wind speed graphs reproduced in Figure 7 show. Wind speed varies both in the short (hourly, daily, monthly, seasonally) and in the long (multi-yearly) run. The variations in mean wind speed from one year to the next are fairly small, although measurements must be taken over a period of around 5 years to reliably determine the mean in a given area or region. At time scales of less than a year, variations in wind speed are less predictable. That notwithstanding, daily cyclical variations can be identified, such as observed in local winds induced by thermal gradients or topography. Wind intensity and direction can also be estimated for a given site and a period of several days by studying the development of high or low pressure areas associated with events taking place over large spatial scales that give rise to variations over periods of that duration. Lastly, due to the turbulence that characterises atmospheric flows, wind speed fluctuates unpredictably and apparently randomly from minute to minute. 15 días / 15 days

1 hora / 1 hour

2 días / 2 days

10 minutos / 10 minutes

100 días / 100 days

8 horas / 8 hours

Fig. 7. Registros temporales de viento (derecha) Fig. 7. Wind speed graph (right) 165


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Frecuencia por espectro de energía (m 2/s2) Frequency by energy spectrum

Alta velocidad High speed

6

Alta velocidad High speed

5 4 3 2 1 100

10 5

2 1 0,5 0,2 0,1 0,05 0,01 0,005 0,001

Horas por ciclo / Hours per cycle

Fig. 8. Frecuencia x espectro de energía (m/s2) Fig. 8. Frecuency vs energy spectrum (m/s2)

Turbulencia Turbulencia Turbulence Turbulence Fig. 9. Turbulencia producida por obstáculos abruptos y suaves Fig. 9. Turbulence caused by steeply and gently sloping obstacles

Alta velocidad High speed

4. V ariaciones E spaciales

del

V iento

4.1 Perturbaciones por elevaciones del terreno A la hora de caracterizar el viento de un emplazamiento, es preciso naturalmente cuantificar el efecto sobre el flujo de aire de eventuales obstáculos del terreno. Elevaciones, colinas y otros accidentes de este tipo podrían producir una aceleración si son de forma y pendientes suaves o, por el contrario, podrían producir efectos de reducción del flujo si se tratara de crestas o bordes agudos, tal y como se muestra en las figuras 9 a 12.

Fig. 10. Influencia de un obstáculo de pendientes abruptas Fig. 10. Effect of a steeply sloping obstacle

Alta velocidad High speed

4.2 Perturbaciones por la existencia de obstáculos De igual modo, los efectos en el flujo de aire de obstáculos del terreno tipo edificaciones, arbolado, etc, se caracterizan por introducir una disminución de la velocidad de viento y un incremento de turbulencia en la región de resguardo detrás de los mismos, que merecen ser tenidos en cuenta en la caracterización del potencial eólico, pues además la extensión espacial de la perturbación es muy relevante, tal y como muestra, a modo de ejemplo, la figura 13. Obsérvese que, la zona de turbulencias aguas abajo del obstáculo, tiene una longitud en el entorno de veinte veces la altura del mismo. 166

Fig. 11. Influencia de un obstáculo de pendientes suaves Fig. 11. Effect of a gently sloping obstacle

Alta velocidad High speed

Fig. 12. Influencia de un obstáculo en forma de cresta Fig. 12. Effect of a sharply ridged obstacle


VIII. CARACTERIZACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO

CHARACTERISATION OF WIND POTENCIAL

Figure 8 shows how kinetic wind energy is distributed on the macroscale (from one day to one month), mesoscale (from one hour to one day) and microscale (from a few minutes to one day).

H

Región de flujo de alta turbulencia 2 H Region of highly turbulent flow

2H

20 H

Fig. 13. Obstáculo a causa de un edificio o un árbol alto Fig. 13 Obstruction of the wind by a building or tree of height (H)

5. Selección

The scales for turbulence-induced kinetic energy lie at the right of the peak appearing at around one minute. The low intensity peak towards the left of the graph indicates daily variations and the larger peak, appearing at around four days, shows the variations due to the presence of high or low pressure areas.

de

E mplazamientos

A la hora de seleccionar emplazamientos de ser susceptibles para desarrollar un proyecto eólico, el objetivo más importante será indefectiblemente el maximizar la captación de energía, reduciendo así el coste de producción (€/kWh). Indudablemente, los emplazamientos óptimos deberán seleccionarse prestando atención a que cuentan con las siguientes características: –– Elevada velocidad media. El emplazamiento además deberá estar situado en un terreno con buena exposición y sin obstáculos al viento. –– Aceptables variaciones de la velocidad media, tanto diurnas como estacionales. –– Aceptables niveles de turbulencia y vientos extremos ya que afectan a la integridad estructural del aerogenerador y por tanto a la vida útil del mismo. En general, los lugares que a priori son susceptibles de tener altas velocidades de viento son llanuras elevadas a gran altitud, pasos entre montañas en áreas de altos gradientes de presión, largos valles descendiendo de cadenas montañosas de impor-

4. S patial V ariations

in

W ind

4.1 Disturbance due to high ground When characterising the wind at a given site, the effect on the air flow of possible obstacles in the surrounds must logically be quantified. Gently sloped high ground, hills and similar may induce acceleration, whereas cliffs or sharp ridges may reduce the flow, as shown in Figures 9-12.

4.2 Obstacle-induced disturbance Analogously, buildings and trees reduce wind speed and raise leeward turbulence, effects that must be borne in mind when characterising wind power, for the area impacted by the disturbance is fairly large, as Figure 13 shows. Note that the length of the area affected downstream of the obstacle is around twenty times the height of the obstacle. 5. S ite

selection

When selecting a site for a wind project, the obvious primary aim is to maximise the capture of energy to reduce generating costs (€/kWh). Optimal sites must, then, be chosen based on the existence of: –– high mean speed and location in an obstacle-free area with good wind exposure –– acceptable daily and seasonal variations in mean speed 167


CON EL VIENTO A FAVOR

168

WITH A FAIR WIND


VIII. CARACTERIZACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO

CHARACTERISATION OF WIND POTENCIAL

(pag. anterior / opposite page)

(arriba / above)

Fig. 14. Atlas Eólico Europeo (creado por RISO con el programa WASP) Fig. 14. European Wind Atlas (created by Risø with WAsP software)

Fig. 15. Atlas eólico de España, zonificación ambiental marina Fig. 15. Wind atlas of Spain, offshore environmental zoning 169


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

tancia, cimas de montaña con buena exposición en áreas de fuertes vientos zonas costeras bien expuestas a fuertes vientos de altura o gradientes térmicos y algunos otros. En el caso habitual, en un punto inicial del desarrollo eólico, en el que no se tengan medidas de viento en el emplazamiento se podrá hacer una búsqueda en mapas eólicos editados por diversos Organismo Oficiales o empresas, con el objeto de comprobar si el emplazamiento se encuentra en zonas de potencial eólico aprovechable (velocidades medias a la altura de buje > 6 m/s). Ejemplos de estos planos a nivel europeo y español se incluyen en la página anterior (figs. 14 y 15). La selección definitiva del emplazamiento eólico consistirá en evaluar para cada una de las distintas alternativas posibles, al menos las siguientes características técnicas: ––1. Recurso Eólico: si no se dispone de datos de viento en el emplazamiento se procederá a realizar una búsqueda datos de viento eólicos oficiales –mapas, atlas eólicos o estaciones climatológicas– o adquisición de datos virtuales. Una serie de datos virtuales se trata de una serie de velocidades y direcciones a largo plazo generada mediante modelos físicos climatológicos a partir de bases de datos de satélites fundamentalmente. El error o desviación en la predicción de la velocidad del viento suele oscilar entre el 10 y el 20%, por lo que, aunque no puede utilizarse para una evaluación rigurosa, sí puede dar una buena idea para una evaluación preliminar de emplazamientos. ––2. Orografía: se analizará el tipo de pendiente que presenta el terreno. Orografías simples implican terreno llano y facilidad constructiva de la obra civil. En cambio si el terreno es muy complejo presentará pendientes muy acusadas y el diseño de la obra civil podría incluso ser inviable desde un punto de vista constructivo. ––3. Tipo de terreno: en donde se estudiará la Geología del lugar para establecer si la consistencia es blanda o dura (roca) y el tipo de cimentación que requerirá el aerogenerador a priori. 170

–– acceptable levels of turbulence and extreme winds able to affect the structural integrity and hence the service life of the wind turbine. As a rule the sites where high wind speeds may initially be expected include high plains, mountain passes with high pressure gradients, long valleys sloping downward from high mountain ranges, mountain summits exposed to strong winds and coastal areas exposed to thermal gradients or strong winds at high altitudes. Normally, when initiating the design of a wind farm at a site for which no wind measurements are available, wind maps published by public bodies or private companies can be consulted to verify whether the site is in an area with harnessable wind power (mean hub-height speeds > 6 m/s). A few examples of such maps for Europe are shown on the page opposite (Figs 14 and 15). Ultimately, the choice of a site for a wind farm calls for assessing at least the following technical characteristics. ––1. Wind resource: if no wind data are available for the site, official sources should be consulted (maps, wind atlases or weather station records) or virtual data should be acquired. A virtual data series is a long-term series of wind speeds and directions obtained with climate models based primarily on satellite data. As the error or deviation associated with such wind speed predictions generally ranges from 10 to 20 %, they cannot be used for rigorous assessments, although they do afford an overview sufficient for preliminary site analysis. ––2. Lay of the land: the slopes in the surrounding terrain must be analysed. Easy terrains are essentially flat and pose no particular problems for civil construction. In contrast, complex terrains are characterised by very high slopes which may preclude construction altogether.


VIII. CARACTERIZACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO

––4. Vegetación, es decir la rugosidad: consiste en determinar y analizar el tipo de vegetación que existe en el emplazamiento. ––5. Interconexión eléctrica: se estudia la distancia a la subestación o línea eléctrica interconexión con la red. ––6. Accesibilidad: se analizan las características y estado de carreteras de acceso. ––7. Medio ambiente: se averigua si el emplazamiento está excluido de lista de espacios naturales protegidos. ––8. Estimación previa de la potencia bruta en base a la superficie disponible y al viento con el que se puede contar a priori. Emplazamientos con orografía abrupta, tipo de terreno rocoso y punto de interconexión distante incrementan sustancialmente los costes de inversión y puede hacer inviable el proyecto. De igual forma, emplazamientos protegidos desde el punto de vista ambiental son incompatibles para usos eólicos por lo que habrá que evitarlos. Si la valoración es positiva se pasará a la siguiente fase, en la que ya se instalará una estación de medición del recurso eólico durante un periodo de tiempo en todo caso superior a un año y, preferiblemente, de 3 a 5 años.

CHARACTERISATION OF WIND POTENCIAL

––3.Type of soil: site geology must be studied to determine the soft or hard (rock) consistency of the soil and the type of wind turbine foundations needed. ––4. Plant life, i.e., roughness: the type of plant life at and around the site must be analysed. ––5. Grid connection: the distance to the nearest grid substation or electric line must be determined. ––6. Accessibility: the characteristics and condition of the access roads must be analysed. ––7. Environment: the site must not form part of a protected natural area. ––8. Preliminary gross power: an estimate must be drafted based on the area available and the wind expected a priori. Sites with cliffs and sharp ridges, rocky soil and a remote grid connection raise investment costs substantially, to the point of rendering projects non-viable. Similarly, sites with environmental protection are incompatible with wind farm construction and must be avoided. When the assessment shows a site to be viable, the following stage is undertaken, in which a wind station is installed to measure the resource for minimally more than one year and preferably from 3 to 5.

171


172


IX. RECURSO EÓLICO: MEDICIÓN Y TRATAMIENTO DATOS • WIND RESOURCE MEASUREMENT AND DATA PROCESSING CONSUELO ALONSO

1. C aracterización

del

V iento

El recurso eólico se caracteriza por las siguientes variables: –– velocidad: valores medios, máximos, mínimos y su variación temporal –– dirección: rosa de los vientos –– rugosidad –– cizalladura, o variación de la velocidad con la altura –– densidad del aire –– turbulencia o variabilidad de la velocidad del viento –– rafagosidad, o valores máximos. Todo proyecto de parque eólico comienza con la estimación del recurso eólico en el emplazamiento para lo cual hay que realizar una campaña de medición utilizando una estación anemométrica. Dicha estación se encargará de registrar la serie temporal de datos de velocidad y dirección de viento a diferentes alturas sobre el nivel del suelo durante un periodo plurianual con el objeto de obtener la variación estacional y anual del viento (ciclos del viento). Una vez que se dispone de dicha serie temporal se estará ya en disposición de caracterizar el recurso eólico mediante el estudio de las variables anteriormente referidas.

2. E stación A nemométrica Es el equipo que se encarga de medir y registrar el vector viento y está formada por los siguientes equipos: –– Torre: fabricada en estructura metálica o de hormigón sobre la misma se instalan a distintas alturas los anemómetros y las veletas. La altura de la torre debe ser la altura

1. C haracterising

the

W ind

The wind resource is characterised by the following variables: –– speed: mean, maximum and minimum values and seasonal variations –– direction: wind rose –– roughness –– shear or variation in speed with height –– air density –– turbulence or variability in wind speed –– gustiness or maximum values. Wind farm projects typically begin with an estimate of the wind resource at the chosen site, which entails conducting a measuring campaign. Such campaigns involve the use of a wind station to record time series data on wind speed and direction at different heights over several years to define seasonal and yearly wind variations (wind cycles). Once the time series is in place, the wind resource can be characterised by studying the aforementioned variables.

2. W ind

station

This facility, which measures and records the wind vector, consists in the following elements. The steel or concrete mast to which the anemometers and wind vanes are attached at different heights should be as tall (or at least 2/3 as tall, to save on costs) as the wind turbine hub (height from the ground to the centre of the rotor). 173


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

del buje del aerogenerador (altura desde el suelo hasta el centro del rotor) y en su defecto se recomienda que al menos sea 2/3 de la altura del buje del mismo (de cara a ahorrar costes) Anemómetros o sensores que miden la velocidad del viento. Normalmente se instalan varios anemómetros a varias alturas con el objeto de registrar el perfil de variación del viento con la altura. Veletas o sensores que miden la dirección del viento. Igualmente se instala más de una de cara a evitar la pérdida de datos en caso de que una de ellas se averíe. Termómetro para medir la temperatura y en base a ella la densidad del aire. Barómetro para medir presión y en base a ella la densidad del aire. Logger o instrumento que registra y almacena los datos recogidos por los sensores. Otros como son: pararrayos, placa solar para alimentar de energía el logger, soportes, cables, puesta a tierra, cimentación torre, sistema de telemetría (a través de GSM se hace un envío remoto de datos de viento) etc.

Fig. 1. Estación anemómetrica Fig. 1. Anenometric station

2.1 Torres y sus tipos Las torres para medición de viento, de acuerdo a su estructura pueden ser tubulares o de celosía. Además se pueden instalar arriostradas (con cables atirantados que partiendo de diferentes alturas de la torres sustentan la torre y la anclan en el suelo) o autoportantes. Generalmente, las torres arriostradas son más económicas que las autoportantes, aunque hay ocasiones –problemas de vandalismo, por ejemplo– en las que es preciso recurrir a este tipo de torres. 2.2 Anemómetros La velocidad del viento se mide a través de un anemómetro. Existen diversos tipos de anemómetros pero los más utilizados para la medición del viento son: 174

Fig. 2. a) veleta; b) anemómetro; c) barómetro; d) termómetro Fig. 2. a) wind vane; b) anemometer; c) barometer; d) thermometer


IX. RECURSO EÓLICO. MEDICIÓN Y TRATAMIENTO DE DATOS

WIND RESOURCE: MEASUREMENT AND DATA PROCESSING

Anemometers measure wind speed. Several of these sensors are normally installed at different heights to determine the variation in wind speed with height. Wind vanes are sensors that measure the direction of the wind, several of which are installed to ensure that no data are lost in the event one should fail. A thermometer measures the temperature form which it calculates the air density. A barometer measures the atmospheric pressure from which it calculates the air density. A logger records and stores all the data collected by the sensors. Stations are also fitted with other elements such as lightning rods, a solar panel to power the logger, supports, cables, earthing, tower foundations and a telemetric system (using GSM to relay wind data).

Torre celosía arriostrada

Torre tubular arriostrada

Torre celosía autosoportada

Fig. 3.Cable-stayed Torre celosía. arriostrada. Torre tubular Torrelattice celosía lattice mast Cable-stayed CHS mastarriostrada. Self-supporting mast autosoportada. Fig. 3. Cable-stayed lattice mast. Cable-stayed CHS mast. Self-supporting lattice mast.

1. Anemómetro de cazoletas: poseen 3 o 4 cazoletas montadas simétricamente alrededor de un eje vertical. La velocidad de rotación es proporcional a la velocidad del viento incidente. 2. Anemómetro de hélice: consiste en una hélice montada sobre un eje horizontal. Las características de respuesta de este tipo de anemómetro cuando el viento no es perpendicular al plano de rotación son relativamente bajas, por lo que son menos adecuados que los de cazoletas. 3. Anemómetros ultrasónicos: miden la componente horizontal de la velocidad del viento y de la dirección del viento. Requieren una conexión a la red eléctrica debido a su alto consumo. A día de hoy no están acreditados por la red

2.1 Masts Both lattice and tubular (CHS) wind masts are used. They may be self-supporting or stayed with cables anchored to the ground. Generally speaking, cable-stayed towers are less costly than their self-supporting counterparts, although on occasion (to prevent vandalism, for instance) the latter type are recommended. 2.2 Anemometers Of the various types of anemometers available, the ones most commonly used are as follows. 1. Cup anemometers have three or four cups symmetrically mounted around a vertical shaft. Their speed of rotation is proportional to the incident wind speed. 2. Vane anemometers consist in a helicoid propeller or fan-like device mounted on a horizontal shaft. This type of instrument is less optimal than cup anemometers because when the wind is not perpendicular to the plane of rotation, performance is relatively low. 175


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

MEASNET (red internacional de medición del sector eólico) por lo que nos e utilizan para la medición del recurso eólico de un emplazamiento en fase de exploración. Sin embargo si se utilizan en la monitorización del viento de parques eólicos ya que van incorporados en la góndola de los aerogeneradores en tierra o en el mar.

2.3 Otros sensores para medir el viento Además de los anemómetros, pueden utilizarse algunos otros sensores y sistemas para medir el viento. Ejemplos de dos de ellos que, todavía en fase de desarrollo tecnológico, son los siguientes: SODAR (Sonic Detection and Ranging), se usa para medir la velocidad del viento a varias alturas sobre el terreno. El aparato emite un haz de ondas sónicas, que rebota en la corriente de aire y se desvía; esta onda desviada es recogida por el detector del sistema, y un software analiza las desviaciones y deduce las características del viento en esa capa (velocidad y dirección) LIDAR: La tecnología LIDAR (Light Detection And Ranging) está basada en el uso del láser y detecta la velocidad y dirección del viento basándose en el retraso temporal del haz de láser reflejado por aerosoles presentes en el aire (se fundamenta en el efecto doppler).

Ambos sistemas resultan muy útiles como apoyo para conocer perfiles de variación del viento y siempre se instalan conjuntamente con una torre de medición del viento cuyas mediciones sirvan para calibrarlos.

2.4 Veleta La dirección del viento se determina normalmente con una veleta, que consiste en un dispositivo montado sobre un eje vertical cuyo movimiento sigue el viento cuando este cambia de dirección. 176

3. Ultrasonic anemometers measure the horizontal component of wind speed as well as wind direction. They must be connected to the electricity grid to meet their high power needs. Inasmuch as they have not at this writing been approved by MEASNET (International Network for Harmonised and Recognised Measurements in Wind Energy), they are not used to measure the wind resource at sites in the exploration phase. They are, however, built into the nacelle in land or sea wind turbines to monitor the wind in wind farms.

2.3 Other wind measurement sensors The wind may be measured with sensors and systems other than anemometers. Examples of two still under development follow. A SODAR (sonic detection and ranging) is an instrument that measures wind speed at several heights off the ground. It emits a beam of sonic waves that is deflected as it bounces off the air stream; this deflection is detected by the system and analysed by its software to compute the characteristics of the wind (speed and direction) in each layer. A LIDAR (light detection and ranging) is a laser-based device that detects wind speed and direction from the delay in the reflection of the laser beam off the aerosols present in the air (Doppler effect).


IX. RECURSO EÓLICO. MEDICIÓN Y TRATAMIENTO DE DATOS

WIND RESOURCE: MEASUREMENT AND DATA PROCESSING

2.5 Ubicación de sensores o instrumentos de medida del viento La ubicación de los instrumentos debe realizarse de forma que el viento incida en ellos directamente, evitando que queden apantallados por el mástil de la torre o entre ellos mismos. Para ello se dispondrán una serie de brazos salientes de la torre –con unas determinadas longitudes mìnimas en función del diámetro de la misma– sobre los que se ubicarán los sensores.

Both systems, particularly useful for establishing wind variation profiles, are always installed in conjunction with a wind mast for calibration against other measurements.

Las veletas, por su parte, deberán orientarse al norte geográfico, teniendo en cuenta la declinación magnética del emplazamiento

2.5 Wind measurement sensor/instrument positioning Instruments should be positioned in a manner such that the wind strikes them directly, unobstructed by the mast or other sensors. To that end the sensors are mounted on arms attached to the mast. The minimum arm length depends on the mast diameter. Vanes, in turn, should be oriented to the geographic north, bearing in mind the magnetic declination at the site.

3. C ampaña

de

M edición

en el

E mplazamiento

La serie temporal de datos que registra la estación está formada por valores medios de: –– velocidad media (a varias alturas de medición) –– desviación estándar de la velocidad media, –– dirección de viento (a varias alturas de medición) –– temperatura y/o presión

2.4 Wind vanes Wind direction is normally determined with wind vanes, devices mounted on a vertical shaft that changes direction with the wind.

Los registros de datos tiene una frecuencia de 10 minutos. Cada registro diezminutal está formado por un valor medio de datos instantáneos que se toman cada segundo. El periodo de medición será el más largo posible, y de al menos 1 año para recoger así las variaciones estacionales, y de ser posible, se comparan y/o correlacionan las medidas con una torre de medición próxima que tenga medidas a largo plazo (más de 5 años preferiblemente). (pág. anterior / opposite page) Fig. 4. Anemómetro de cazoletas de la marca Thies. Anemómetro de hélice de la marca Young. Anemómetro ultrasónico Fig. 4. Thies anemometer. Young vane anemometer. Ultrasonic anemometer Fig. 5. SODAR (arriba). LIDAR fabricado por la empresa Leosphere (abajo) Fig. 5. SODAR (above). LIDAR by Leosphere (below) 177


CON EL VIENTO A FAVOR

4. E valuación

del

WITH A FAIR WIND

R ecurso E ólico

3. S ite M easurement C ampaign

Una vez registrada la serie temporal de datos de velocidad y dirección de viento durante un perido de tiempo comienza la etapa de evaluación del recurso eólico. Esta etapa consiste en un análisis estadístico descriptivo de la serie registrada, que incluirá al menos el estudio de los siguientes parámetros: 1. valor medio anual de la velocidad 2. rosas de los vientos 3. distribuciones de probablidad del viento 4. valores medios de temperatura y presión 5. variación del viento con la altura 6. turbulencia 7. rafagosidad

En todo caso, y antes de nada, la primera labor importante será revisar la calidad de los datos registrados con el objeto de detectar intervalos temporales de posibles datos anómalos, que bien pueden deberse a averías o a otro tipo de incidencias en los sensores.

10 9 8 7 6 5 4

6.8

7.7

6.9

6.8

6.4 5.4

5.2

5.9

6.7

7.2

7.1

Diciembre December

Noviembre November

Octubre October

Septiembre September

Agosto August

Julio July

Junio June

Mayo May

Abril April

Marzo March

Febrero February

Velocidad de viento (m/s) / Wind speed Enero January

3 2 1 0

7.2

Fig. 6. Variación anual de la velocidad media mensual de un emplazamiento Fig. 6. Yearly variation in wind speecat a site: monthly means 178

The time series data recorded by the station include information on the following parameters: –– mean wind speed (at various heights) –– standard deviation of wind speed –– wind direction (at various heights) –– mean temperature, mean pressure or both. Data are logged every 10 minutes. Each 10-minute value is the mean of the data logged second-by-second. The measuring period should last for as long as possible and at least a full year to collect seasonal variations and compare and correlate the measurements with data from a nearby mast with a longer time series (preferably over 5 years).

4. W ind R esource A ssessment The wind resource is assessed from the time series of wind speed and direction data collected as described above. In this stage a descriptive statistical analysis of the series is conducted, covering at least the following parameters: 1. yearly mean wind speed 2. wind roses 3. frequency distributions for the wind 4. mean temperature and pressure 5. Variation in wind with height 6. turbulence 7. gustiness.

The first essential task consists in reviewing the quality of the data recorded to detect time intervals with anomalous information, possibly due to sensor failure or other instrumental incidents.

4.1 Mean speed Yearly mean wind speed is the primary indicator of the wind resource available at a site. The monthly variation in that value determines wind resource seasonality.


IX. RECURSO EÓLICO. MEDICIÓN Y TRATAMIENTO DE DATOS

4.1 Velocidad media La velocidad media anual del viento es el principal indicador del recurso eólico disponible en el emplazamiento. La variación mensual de dicho valor determinará la estacionalidad del recurso eólico: 4.2 Rosas de los Vientos Para definir la orientación de los aerogeneradores del parque eólico en el terreno es necesario conocer las direcciones predominantes del viento. La representación más utilizada de la distribución direccional del viento es la llamada rosa de los vientos de frecuencia del emplazamiento, en la que se representa el porcentaje del tiempo (o frecuencia) en el que el viento proviene de una determinada dirección espacial). Tambien resultan de interés las rosas de viento de velocidad (que proporcionan la distribución direccional de la velocidad N

NNW

NNE NE

NW WNW

ENE

W

E 5

WSW

ESE

10

SW

SE

15

SSW

S

SSE

Fig. 7. Rosa de vientos de frecuencia (frecuencia del viento o tiempo en el que sopla desde esa dirección Fig. 7. Frequency wind rose (wind frequency or time in which wind blows from the specified direction)

WIND RESOURCE: MEASUREMENT AND DATA PROCESSING

4.2 Wind roses The orientation of wind turbines in a wind farm depends on the prevailing wind. The graph most commonly used to represent the distribution of wind directions is the so-called frequency wind rose, which shows the percentage of time (or frequency) that the wind blows from a given direction at the chosen site. Speed wind roses (showing the yearly mean speed by wind direction) and energy density roses or frequency distribution of the energy density (in W/m2 or %) by direction are also very useful instruments. As the latter type of rose takes account of frequency as well as speed in each sector, it is the graph best suited for establishing wind turbine orientation in a wind farm. 4.3 Wind frequency distributions Analytical distribution of wind speed: Weibull distribution The frequency distribution for wind speed is computed from the speed data collected by anemometers. It specifies the frequency with which the wind blows at a speed within a given interval (from 5 to 6 m/s, for instance) and can be represented as a histogram or bar graph or in a table. The frequency distribution for the wind is not symmetrical, logically, for the likelihood of speeds lower than the mean is higher than the likelihood of speeds higher than that value. The analytical distribution or curve best suited to bar graph representation is known as the Weibull distribution, expressed by the following equation: P(v) = (k/c) (v/c)k-1 exp(-v/c)k

where P(v) is the statistical probability of the occurrence of a given wind, c is the so-called scaling factor (unit = m/s; value ≈ the mean speed for the site) and k is what is known as the form factor or Weibull shape parameter. Form factor values normally vary between 1 and 2. A Weibull distribution in which k=2 is termed a Rayleigh distribution. 179


WITH A FAIR WIND

media anual) así como la rosa de energías o distribución direccional de la densidad de energía (W/m2 o en %). Esta última rosa tiene en cuanta para cada sector además de la frecuencia la velocidad, por lo que es la que resulta más adecuada para fijar la orientación de los aerogeneradores de un parque eólico.

4.3 Distribuciones de Probabilidad del Viento Distribución analítica de velocidad de viento: distribución de Weibull La distribución de probabilidad de velocidades se obtiene a partir de las medidas de velocidad tomadas por el anemómetro y nos indica para cada intervalo de velocidad (por ejemplo, entre 5 y 6 m/s), la frecuencia de tiempo en el que el viento sopla con esa velocidad. Puede representarse de forma gráfica –histograma o diagrama de barras– o en forma de tabla. Lógicamente, la distribución de probabilidad del viento no es simétrica ya que la probabilidad de obtener menores velocidades a la velociad media es más elevada que la probabilildad de obtener velocidades más altas a la media. La distribucion analítica o curva que mejor se adapta al diagrama de barras recibe el nombre de Distribución de Weibull y se puede expresar mediante la formula:

0.14 Frecuencia / Frequency

CON EL VIENTO A FAVOR

0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0

0

2

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Velocidad de viento (m/s) / Wind speed

24

Fig. 9. Distribución de Weibull e histograma Fig. 9. Weibull distribution and bar graph

Cumulative Weibull distribution function and the duration curve The cumulative Weibull distribution function expresses the likelihood of wind speeds (v) of over a given value (u):

Probabilidad / Probability

P(v) = (k/c) (v/c)k-1 exp(-v/c)k

Multiplying the values delivered by that function times the number of hours in a year (8 760) yields the wind duration curve, which shows the number of hours that wind speed exceeds the specified value.

0.20 k = 2.8 k = 2.4 k = 2.0 k = 1.6 k = 1.2

0.15 0.10 0.05

0

5 10 15 20 Velocidad de viento (m/s) / Wind speed

Fig. 8. Distribución de Rayleigh Fig. 8. Rayleigh distribution 180

25

4.4 Variation in wind with height As described in the preceding chapter, wind speed at a given site varies with height due to the friction between the air and the ground. This is known as vertical wind shear. The power law profile is the empirical formula that simulates this phenomenon most closely:


IX. RECURSO EÓLICO. MEDICIÓN Y TRATAMIENTO DE DATOS

En la misma P(v) representa la probabilidad estadística de que ocurra una determinada probabilidad de viento, c es el denominado parámetro de escala (unidades de m/s) –cuyo valor es cercano a la velocidad media del emplazamiento– y k es del denominado factor de forma. Los valores de este factor de forma k varían normalmente entre 1 y 2. La distribución de Weibull con factor de forma k = 2 recibe el nombre de distribución de Rayleigh. Función de distribución acumulada de Weibull y curva de duración La función de distribución acumulada de Weibull expresa la probabilidad de que existan velocidades de viento (v) superior es a una determinada (u):

Si se multiplican los valores proprocionados por dicha función por el número de horas del año –8 760 horas– se obtiene la curva de duración del viento, que proporciona el número de horas que la velocidad del viento supera una valor determinado.

4.4 Variación del viento con la altura Ya se ha visto en el capítulo anterior cómo la velocidad del viento en un emplazamiento varia con la altura debido al rozamiento del aire en movimiento con la superficie terrestre. Este fenoméno se llama cortadura vertical del viento. La Ley potencial es la formula empirica que mejor se aproxima en la simulación de este fenomeno:

Donde, v es la velocidad del viento (en m/s) a la altura h (en m) y v0 es la velociad del viento (en m/s) a la altura h0 (en m) (ambas conocidas) y α es el factor de cortadura o cizalladura (o variación del perfil del viento con la altura). Los valores de α varian entre 0.01 y 0.3 dependiendo del la rugosidad o rozamiento con el terreno (tipo de vegetación). Será preciso, por tanto, que a partir de la serie temporal de datos de viento registrada se analice la variación del viento con

WIND RESOURCE: MEASUREMENT AND DATA PROCESSING

P (u > v) 1 0.75 0.5 0.25 0

5

10

u (m/s)

Fig. 10. Distribución acumulada de Weibull Fig. 10. Cumulative Weibull distribution

where, v is wind speed in m/s at height h in m, v0 is wind speed in m/s at height h0 in m (both of which are known) and α is the shear factor or variation in the wind profile by height. The values for α vary from 0.01 to 0.3 depending on terrain roughness (type of plant life), which determines friction. Hence, the time series of wind speeds recorded must be analysed to find the shear factor and consequently the power law profile.

4.5 Turbulence Turbulence can be defined as the micro-scale variation of wind speed in time and space, i.e., for time intervals of no longer than 10 minutes and distances of up to a few decameters. Turbulence induces dynamic loads on wind turbine structures that may shorten their service life, as well as changes in power output over short periods of time. For these reasons this variable must be analysed in detail. The parameter most commonly used to characterise turbulence is turbulence intensity, defined as the wind variability coeffi181


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

la altura, obteniéndose el factor de cortadura y, consecuentemente, la ley potencial.

cient, i.e., the standard deviation of instantaneous speed (σi) divided by measured speed (vi): I=σi/vi

4.5 Turbulencia La turbulencia se puede definir como la variación temporal y espacial de la velocidad del viento en el rango de la microescala es decir para variaciones temporales comprendidas en un rango máximo de 10 minutos y variaciones espaciales de hasta decenas de metros. La turbulencia es fuente de cargas dinámicas estructurales sobre el aerogenerador y por tanto puede disminuir la vida de diseño del mismo. Además produce cambios de la potencia suministrada en corto periodo de tiempo. Por estos motivos es necesario analizar y estudiar esta variable. El parámetro más utizado para caracterizar la turbulencia es la intensidad de turbulencia definida como el coeficiente de variabilidad del viento es decir la desviación típica de la velocidad instantánea (σi)dividida por la velocidad medida (vi): I=σi/vi La intensidad de turbulencia se mide en % y se calcula para periodos cortos de 10 minutos. Emplazamientos con intensidades de turbulencia superiores al 30% no son recomendables utilizar desde el punto de vista energetico ya que la vida media de los aerogeneradores del parque eólico disminuirá y, por tanto, la rentabilidad del parque eólico será menor. El fabricante de la tecnología eólica será quién determine si su aerogenerador está diseñado para soportar este nivel de turbulencia y cual será la vida media de su tecnología. La Norma internacional IEC61400-1 tabula la intensidad de turbulencia en la Tabla 1. La figura 11 muestra la intensidad de turbulencia (clases A, B, C y especial) en función de la velocidad media del viento a la

Turbulence intensity is measured in per cent and computed for 10-minute periods. Sites with turbulence intensities of over 30 % are not recommended for power generation, for the shorter mean service life of wind turbines at such sites would lower the return on wind farm investments. The suitability of a wind turbine for a given level of turbulence and its service life under the conditions specified are determined by the designer/ manufacturer. International standard IEC61400-1 classifies turbulence intensity as in

Donde, A: B: C: S: Iref (-): 182

categoría de intensidad de turbulencia alta categoría de intensidad de turbulencia media categoría de intensidad de turbulencia baja intensidad de turbulencia especial valor característico de la intensidad de turbulencia a una velocidad de 15 m/s

TABLE 1 / TABLA 1

Turbulence Intensity Valores de Intensidad de Turbulencia Wind turbine class V m/s

I 50

II

III

42.5

37.5

A

Iref (-)

0.16

B

Iref (-)

0.14

C

Iref (-)

0.12

Where: A: B: C: S: Iref (-):

S Values specified by the designer

high turbulence intensity medium turbulence intensity low turbulence intensity special turbulence intensity characteristic turbulence intensity at a wind speed of 15 m/s.

The graph in Figure 11 plots mean turbulence intensity (classes A, B and C) against mean hub-height wind speed. As a rule, sites with a complex terrain (steep slopes, obstacles or with wakes generated by wind turbines) are associated with high levels of turbulence. In such cases, the profile for wind speed variation with height is impacted by turbulence, with a vertical shift in the amount of air flow. The result is that the variation in speed with height tends to be less pronounced.


altura de buje del aerogenerador. En general, emplazamientos de orografia compleja –con fuertes pendientes, obstáculos o con presencia de estelas de aerogeneradores– suelen estar asociados a la existencia de niveles de turbulencia altos. En estos casos, el perfil de variación del viento con la altura está infuenciado por la turbulencia y existirá consecuentemente un transporte vertical de cantidad de movimiento, lo que dará lugar a que el perfil de variacion del viento con la altura tienda a ser menos importante o acusado.

4.6 Rafagosidad Este parámetro tiene en cuenta los valores máximos de viento –rachas o picos de viento– que implican variaciones bruscas de esfuerzos dinámicos estructurales. Se caracteriza a través del Factor de Rafagosidad que se define como el cociente entre la velocidad máxima registrada vmax en el periodo de tiempo considerado, normalmente de una hora, y la velocidad media (v). FR = v max v

4.7 Temperatura y Presión Resulta necesario conocer la temperatura y presión medias del emplazamiento pues estos parámetros físicos influyen en el valor de la densidad del aire. Este último valor, recordemos, intervendrá en el cálculo de la potencia eólica aprovechable. Dichos valores se obtendrán a partir de los valores instántaneos registrados por el termométro y el barómetro. En caso de no disponer de estas medidas, se podría estimar la temperatura medía a partir de la temperatura media disponible en un emplazamiento cercano utilizando, por ejemplo, una ley de variaciónes de la temperatura con la altitud.

5. E stimación

de la

E nergía E léctrica Producida

5.1 Método estático Por un lado la curva de probabilidad de velocidades de viento proporciona la probabilidad de ocurrencia o el porcentaje estimado de tiempo en que ocurre cada intervalo de velocidad.

Turbulencia media (%) / Mean turbulence

IX. RECURSO EÓLICO. MEDICIÓN Y TRATAMIENTO DE DATOS

WIND RESOURCE: MEASUREMENT AND DATA PROCESSING

80

IT_61400-1 (ed03)_A% IT_61400-1 (ed03)_B% IT_61400-1 (ed03)_C%

60 Zona de turbulencia superior a la definida en el estándar internacional IEC 61400-1 Turbulence values in excess of levels defined in international standard IEC 61400-1

40

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Velocidad (m/s) / Speed

Fig. 11. Intensidad de turbulencia Fig. 11. Turbulence intensity

4.6 Gustiness This parameter specifies maximum wind speeds, i.e., gusts or peak speeds, which induce abrupt variations in dynamic forces on wind turbine structures. It is characterised by the gustiness factor, defined as the quotient between the highest speed recorded (vmax) in the interval at issue, normally one hour, and the mean speed (v). FR = v max v

4.7 Temperature and pressure The mean temperature and pressure at the site must be ascertained, for these parameters affect air density which, as noted earlier, is one of the variables considered to calculate harnessable wind power. Temperature and pressure values are taken from instantaneous thermometer and barometer readings. Where such data are not available, mean temperature can be calculated from the values available at a nearby site using the power law profile for temperature variation with height. 183


WITH A FAIR WIND

Por otro, la curva de potencia de un aerogenerador suministra para cada velocidad la potencia suministrada. De la consideración de ambas se obtiene la curva de probabilidad de ocurrencia de cada intervalo de potencia cuya integral proporciona la producción energética estimada para el periodo considerado. Una forma muy usual de indicar dicha producción energética es mediante el factor de capacidad, que suele expresarse en tanto por ciento, y que se define como el cociente entre la energía media anual producida y el producto de la potencia nominal de parque eólico por el número de horas de un año, es decir, 8 760. FC =

E ( kWh )

Pn ( kW ) ⋅ 8 760 h

Otro parámetro de interés, por su gran utilización, son las horas equivalentes (HE) del parque eólico: HE = FC· 8 760 h Que es equivalente a: HE = Energía (kWh)/Potencia parque eólico (kW)

5.2 Otros métodos avanzados Existen programas de cálculo, basados en modelos numéricos, que permiten realizar extrapolaciones tanto espaciales como temporales a partir de datos de viento existentes en emplazamientos próximos y de acuerdo con la orografía del emplazamiento. Estos modelos están muy desarrollados y son más precisos para emplazamientos llanos que para aquellos de topografía compleja como las zonas montañosas. Los modelos permiten realizar extrapolaciones de datos existentes, tanto horizontal (en superficie del terreno) como verticalmente (en altura sobre el nivel del suelo), por lo que resultarán de gran ayuda para optimizar la ubicación de los aerogeneradores en un parque eólico. Fig. 12. Curva de probabilidad de velocidades de viento Fig. 12. Wind speed frequency curve 184

5. E stimating E lectric Power O utput 5.1 Static method On the one hand, the wind speed frequency curve gives the likelihood of occurrence or the estimated percentage of time that the wind blows at the speeds within each interval. On the other, the wind turbine power curve shows the power delivered at each speed. Combining the two yields the probability curve for each power interval. The power output estimate for the period considered is the integral of the area under that curve. One very common power output indicator is the capacity factor, usually expressed in per cent and defined as the quotient between actual yearly mean output and the product of the wind farm’s rated hourly output times the number of hours in the year, 8 760. FC =

E ( kWh )

Pn ( kW ) ⋅ 8 760 h

Another very useful parameter is a wind farm’s equivalent hours (EH): Curva de potencia (aerogenerador) Power curve (wind turbine)

CON EL VIENTO A FAVOR

P (kW)

P (kW)

Pnominal

t (horas/año) t (hours/year)

v (m/s) varranque vstart-up

vnominal vdesconexión vrated vshut-off

Energía producida (kWh/año) Power output (kWh/year)

v (m/s)

t (horas/año) t (hours/year) Curva de duración (emplazamiento) 8 760 Duration curve (site)


IX. RECURSO EÓLICO. MEDICIÓN Y TRATAMIENTO DE DATOS

WIND RESOURCE: MEASUREMENT AND DATA PROCESSING

Los programas resuelven las ecuaciones de movimientos de fluidos (Navier-Stokes) alrededor de una configuración más o menos compleja. En efecto se trata de resolver las ecuaciones completas de Conservación de :

HE = FC· 8 760 h which translates as follows: EH = energy (kWh)/wind farm capacity (kW)

–– masa –– cantidad de movimiento (3 ecuaciones) –– energía –– fracción másica de vapor de agua Hay otros modelos más simplificados consistentes en resolver la ecuación de conservación de la masa u otros que suponen que la pendiente y la altura de los obstáculos es lo suficientemente pequeña para linealizar las ecuaciones. En general se utilizan programas comerciales entre los que se destacan:

5.2 Other advanced methods Numerical model software is available and can be used to extrapolate both time and spatial values from the wind data for nearby sites, bearing in mind the lay of the land in the surrounds. Although these models are very highly developed, they are more accurate for flat sites than for complex topographies such as mountains. Both horizontal (at ground level) and vertical (above the ground) information can be extrapolated from existing data with these models, which are consequently very helpful for optimal turbine siting in wind farms.

–– Modelos linealizados de flujo potencial WAsP, WindPRO, GH WindFarmer, WindFarm, OpenWind –– Ecuaciones completas. CFD FLUENT, CFX, PHOENICS, WindSim, Meteodyn WT El programa comercial más popular y extendido es WASP ya que en más del 90 % de los casos de simulación de parques eólicos se utiliza por su sencillez y rapidez de cálculo. WAsP se basa en datos de viento medidos, de los que calcula la distribución de Weibull para cada sector de la rosa de los vientos. Después elabora lo que se denomina atlas eólico evaluando y eliminando los efectos sobre los datos medidos de la orografía, rugosidad del terreno y obstáculos. El atlas eólico sería por tanto una representación del viento que se encuentra libre de los efectos del rozamiento con el suelo, asumiendo la hipótesis de que es constante para toda la zona de estudio. Para hacer un cálculo del viento en un punto distinto del que se midieron los datos se realiza el proceso inverso: WAsP evalúa los efectos de la orografía, rugosidad del terreno y obstáculos para el punto de cálculo y perturba el atlas eólico con estos efectos para obtener la medida del viento en el lugar deseado. Este proceso se representa esquemáticamente en la figura 13.

The software in question solves the Navier-Stokes equations of motion for fluids in more or less complex configurations, including equations for the conservation of: –– mass –– motion (three equations) –– energy –– the mass fraction of water vapour. Simplified models are in place, consisting in solving the equation for the conservation of mass or assuming that the slope and obstacle height are small enough to use linear equations. Commercial software is commonly used, the most prominent being: –– for linear potential flow models WAsP, WindPRO, GH WindFarmer, WindFarm, OpenWind –– for full computational fluid dynamics (CFD) equations FLUENT, CFX, PHOENICS, WindSim, Meteodyn WT WAsP, the most popular commercial software for its simplicity and speed, is deployed in over 90 % of wind farm simulations. 185


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

ATLAS EÓLICO / WIND ATLAS

Model para: Terreno montañoso Model for: Mountainous terrain

WAsP is based on empirical wind data, from which it calculates the Weibull distribution for each wind rose sector. A wind atlas is subsequently constructed, in which the effects of the lay of the land, terrain roughness and obstacles are eliminated. A wind atlas, then, represents the wind free of the effects of friction with the ground, and assuming that it is constant across the entire area studied. The reverse process is followed to calculate the wind at a point other than where the data were measured: WAsP assesses the effects of the lay of the land, terrain roughness and obstacles for the point at issue and creates the respective disturbance in the wind atlas to obtain the wind measurement at the desired point. This process is illustrated in Figure 13.

Entrada: Curvas de nivel Data entered: Elevation contours Model para: Rugosidad del terreno Model for: Terrain roughness Entrada: Clasificación del terreno Data entered: Terrain classification Model para: Obstáculos resguardantes Model for: Sheltering obstacles Entrada: Posición y dimensiones Data entered: Position and dimensions

Datos de viento de estaciones meteorológicas Wind station data

Clima eólico en el emplazamiento Wind climate at the site

Entrada / Input

Salida / Output

186

Fig. 13. Diagrama de bloques de funcionamiento del programa WAsP Fig. 13. Block diagram for running WAsP software


IX. RECURSO EÓLICO. MEDICIÓN Y TRATAMIENTO DE DATOS

WIND RESOURCE: MEASUREMENT AND DATA PROCESSING

6. C riterios Implantación A erogeneradores

6. C riteria

Una vez decidido el emplazamiento de un parque eólico, es preciso seleccionar la ubicación precisa de cada uno de los aerogeneradores. En principio no hay reglas perfectamente definidas a priori, sino que se tratará de encontrar las zonas de mayor potencial eólico del emplazamiento –que suelen coincidir con las de mayor altitud– siguiendo la orografía del terreno, y contándose con las siguientes buenas prácticas:

Once the site for a wind farm is chosen, the exact location of each wind turbine must be established. While no hard and fast rules are in place for this task, the aim is to find the areas with the greatest wind power in the site, normally the ones with the highest altitude, bearing in mind the lay of the land and best practice, including the following.

–– Los aerogeneradores se distanciarán entre sí al menos 3 veces el diámetro dentro de una misma alineación,que suele situarse perpendicularmente a la dirección dominante de energía. –– La distancia entre alineaciones será los más próxima posible a 10 veces el diámetro, adoptando un valor mínimo de 5-7 veces el mismo. El cumplimiento de estas reglas llevará a la siempre deseable disminución de las pérdidas de producción por estela, interacción de unos aerogeneradores con otros que provoca una deceleración del flujo de viento, además de convertirlo en turbulento, tanto en los aerogeneradores adyacentes como en los que están detrás, según la dirección del viento incidente.

for installing wind turbines

–– Wind turbines must be spaced at no less than three times their diameter in a given alignment, which is normally perpendicular to the direction of the prevailing wind. –– The distance between alignments should be as close as possible to ten, and no less than five to seven, times the turbine diameter. Compliance with these rules translates into the always desirable reduction of wake-induced output losses, i.e., the interaction among wind turbines that slows the wind flow and renders it more turbulent both in adjacent and downstream turbines.

Dirección dominante del viento (Energía: frecuencia y velocidad Prevailing wind direction (Energy: frecuency and speed)

1

2

3

10 φ (>5-7 φ)

4 Fig. 14. Buenas prácticas implantación aerogeneradores Fig. 14. Criteria for installing wind turbines

5

6

>3φ 187


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

7. C lasificación de un A erogenerador C onforme N orma Iec 61400-1

7. W ind Turbine C lassification Further I ec 61400-1

La norma IEC61400-1 define la clase de viento de un aerogenerador (I, II, III; IV y S) conforme a la Tabla 2, donde:

Standard IEC61400-1 defines a wind turbine’s wind class (I, II, III, IV and S) as shown in the Table 2.

vmax: es la máxima velocidad que se presenta en 50 años (valores promediados en periodos de 10 minutos) vracha: es la máxima velocidad que se presenta en 50 años (valores promediados en periodos de 5 segundos)

to

Standard

TABLA 2 / TABLE 2

Valores de Intensidad de Turbulencia Turbulence Intensity Class IEC

I

II

III

IV

vmax (m/s)

50

42.5

37.5

30

vgust (m/s)

70

59.5

52.5

42

vmean (m/s)

10

8.5

7.5

6

S

vmedia: es la velocidad media anual del viento.

La clase de viento de un emplazamiento se determina de forma más exacta con el estudio de la vref (velocidad de referencia a la altura de buje), que se obtiene partiendo de la velocidad media a la altura de buje. La clase de viento en cada una de las posiciones de los aerogeneradores tiene que ser estudiada y validada por el suministrador de la tecnología. De igual forma, recordemos que IEC 61400-1 define la clase de turbulencia de acuerdo a la Tabla 3. TABLA 3 / TABLE 3

Clase de Turbulencia / Turbulence Class

Limites de la Turbulencia Turbulence limit

Class IEC

A

B

C

S

I15

>0.12

0.12-0.14

0.14-0.16

>0.16

Nivel Turbulencia Turbulence level

Bajo Low

Medio Medium

Alto High

Especial Special

Donde / Where: I15: la intensidad de turbulencia para velocidades de 15 m/s I15: characteristic turbulence intensity at 15 m/s.

De este modo, un aerogenerador se define entonces por un número romano y una letra que especifican su clase de viento y su nivel de intensidad de turbulencia respectivamente. Por ejemplo, en un emplazamiento cuya velocidad media sea 7.3 m/s a la altura de buje podrán instalarse aerogeneradores 188

Diseños específicos Specified design

Where: vmax: maximum wind speed over a period of 50 years (averaged over 10 minutes) vgust: maximum wind gust over a period of 50 years (averaged over 5 seconds) vmean: annual average wind speed.

The wind class for a site is determined more accurately on the grounds of vref (hub-height reference speed), calculated from the mean hub-height speed. The wind class at each wind turbine location must be studied and validated by the supplier of the technology. Moreover, as noted earlier, standard IEC61400-1 classifies turbulence as shown in Table 3: Wind turbines are, then, defined by a Roman numeral and a letter, respectively denoting their wind class and turbulence intensity. A site with a mean hub-height wind speed of 7.3 m/s, for instance, is apt for wind turbine classes I, II and III, although optimal power output would be obtained with class III machines. Class IV turbines may suitable.


IX. RECURSO EÓLICO. MEDICIÓN Y TRATAMIENTO DE DATOS

de clases I, II y III, pero la clase que optimiza la producción de energía sería la clase III. Podrán instalarse aerogeneradores de clase IV. La práctica totalidad de los tecnólogos proporcionan aerogeneradores, dentro de un mismo rango de potencia, de diferentes clases, justamente con el objeto de optimizar la producción de energía. De forma análoga sucede con el nivel de turbulencia, existiendo distintos modelos de aerogenerador –diseñados para aguantar los distintos niveles de turbulencia A, B, C– para cada gama de potencia. De este modo, a la hora de llevar a cabo la elección del aerogenerador más adecuado para un determinado emplazamiento, se partirá de la determinación de la clase del mismo –a través del análisis de las velocidades medias- y el nivel de turbulencia. Una vez con estos parámetros, el siguiente paso será el acudir a los catálogos de los diferentes fabricantes, seleccionando así las mejores opciones tecnológicas a priori posibles para implantar en el parque eólico. De todas ellas, desde el punto de vista de producción de energía, la mejor será la que más produzca. Para la determinación exacta de la producción suele recurrirse a la simulación energética del parque eólico, mediante programas informáticos que analizan las distintas alternativas tecnológicas.

WIND RESOURCE: MEASUREMENT AND DATA PROCESSING

Nearly all suppliers offer different classes of wind turbines in each power range to optimise power production. Similarly, wind turbine models designed to withstand turbulence levels A, B or C are available for each power range. When it comes to choosing the wind turbine best suited to a given site, then, the first step is to determine its class, based on an analysis of mean wind speeds and turbulence levels. With these parameters in hand, manufacturers’ catalogues can be reviewed to pre-select the technologically best options for the wind farm at issue. Of the various possibilities, the best choice is the one that delivers the highest output. Wind farm output can be determined fairly accurately with simulation software designed to analyse the various technological alternatives.

189


190


X.I. AEROGENERADORES • WIND TURBINES MIGUEL NÚÑEZ POLO

En el campo de las energías renovables, la energía eólica ha alcanzado un grado de desarrollo tecnológico que le permite competir en términos de Cost Of Energy (COE) con otras formas de generación eléctrica como hidráulica, gas, carbón, nuclear,… Podemos definir un aerogenerador como un sistema que transforma la energía contenida en el viento en energía eléctrica. El viento incidente provoca la rotación de unas palas que a su vez hacen girar a una dinamo o generador eléctrico. En muchos diseños se incluyen unos engranes que aumentan las revoluciones de las palas a las adecuadas para que la máquina eléctrica pueda generar electricidad. Los aerogeneradores actuales permiten la instalación de grandes centrales de producción de electricidad en el plazo de pocos meses. Dentro del campo de la generación eólica en tierra (On-shore) que será el objeto de este escrito, la evolución tecnológica en los últimos 20 años ha permitido pasar de turbinas de 500 kW, torres de 40 metros de altura de buje y rotores de 39 metros de diámetro a aerogeneradores del orden de los 3 MW con torres de hasta 120 metros de altura y rotores de 125 metros de diámetro, que constituyen ya productos estándar, ya superada la fase de prototipaje. Estos rotores enfrentados al viento (upwind) giran a velocidad variable llegando a alcanzar en su punto nominal velocidades de 10 o 12 revoluciones por minuto y aunque tarden 5 o 6 segundos en completar una vuelta, la punta de la pala alcanza velocidades de 280 km/h. Dicho valor se define por tres criterios fundamentales: erosión de la superficie de las palas, eficiencia aerodinámica y nivel de ruido generado.

Wind, one of the industry’s most promising renewables, has attained sufficient technological development to compete in CoE (cost of energy) with hydro, gas, coal, nuclear and other forms of conventional electricity generation. A wind turbine can be defined as a system that transforms wind energy into electric power. Wind action rotates a set of blades which then turn a dynamo or electric generator. Many designs include gears that raise blade rpms as needed for the machine to generate electricity. With today’s wind turbines, huge electric power plants can be installed in a matter of a few months. Thanks to technological developments in the last 20 years, onshore wind generation, the sort addressed in this chapter, has seen 500-kW turbines with 40-m hub heights and 39-m diameter rotors ‘grow’ into the present standard (having successfully passed the prototype phase) in which 3-MW generators stand atop towers up to 120 m tall with rotors measuring 125 m in diameter. The speeds reached by such upwind rotors varies, with rated values of up to 10 to 12 revolutions per minute. And whilst it takes them 5 or 6 seconds to make a full turn, the tip of the blade can rotate at 280 km/h. That value is limited by three essential considerations: blade surface erosion, aerodynamic efficiency and noise levels.

(izquierda / left) Fig. 1. Componentes principales de un aerogenerador Fig. 1. Main components of a wind turbine 191


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

1. Tipología

1. Typology

Existen multitud de tipos de aerogeneradores que se pueden clasificar en función de diversos parámetros. La agrupación más extendida los clasifica por la posición del eje de giro, siendo así aerogeneradores de eje vertical o eje horizontal, así como su posicionamiento frente al viento, pudiendo ser aerogeneradores con el rotor a barlovento (upwind) o sotavento (downwind). Existen muchos otros tipos de aerogeneradores, pero la configuración mayormente extendida y que será objeto del presente artículo es la tipología de eje horizontal y rotor a barlovento.

The many types of wind turbines in service can be classified on the grounds of a number of parameters. The most common include the position of the rotating shaft, which may be vertical or horizontal, and the location of the turbine rotor with respect to the wind, which may be upwind or downwind. The most widespread of the many types of wind turbines in operation have a horizontal shaft and an upwind rotor.

Dentro de la configuración de eje horizontal los aerogeneradores se clasifican por la topología del tren mecánico de potencia. Así existen aerogeneradores en los cuales el rotor aerodinámico va conectado directamente al generador eléctrico, denominándose en este caso aerogeneradores de acoplamiento directo o direct drive. La otra topología existente es conexión del rotor eólico a una caja de engranes, la cual eleva la velocidad de giro para conectarse a su salida a un generador eléctrico. En cuanto la tipología eléctrica hay dos grandes grupos. Los aerogeneradores cuyos generadores se conectan directamente a la red eléctrica (y dentro de ella 2 grandes grupos, los generadores síncronos conectados a red y las máquinas doblemente alimentadas o DFIG) y los generadores que conectan con un equipo de electrónica de potencia y este a su vez a la red eléctrica (denominados full converter). Los primeros aerogeneradores giraban a velocidad fija según frecuencia de red y el control de las palas era de paso fijo por entrada en pérdida aerodinámica (stall). Las palas estaban unidas directamente al buje y no tenían posibilidad de girar sobre su eje. Sin embargo, los diseños actuales se basan en velocidad de rotor variable y paso de pala también variable (control de pitch). En estas máquinas las palas se unen al buje por medio de un rodamiento que les permite girar sobre su propio eje. El giro de las palas con cierto rango de velocidad variable permite mantener la máxima eficiencia aerodinámica entre 192

Horizontal shaft turbines are subdivided by the type of drivetrain with which they are fitted. In direct drive wind turbines the aerodynamic rotor is connected directly to the electric power generator. In the other typology, the rotor is connected to a gearbox that raises the rotational speed prior to its connection to an electric generator. Turbines can be further grouped by their electrical configuration, of which there are two types: direct (in turn sub-divided into grid-connected synchronous and doubly fed induction or DFIG generators) and via converters, in which the generator is connected to a power electronics cabinet in turn connected to the grid. The earliest wind turbines rotated at a fixed speed set to the grid frequency and their fixed pitch rotor blades were stall controlled. The blades were bolted directly onto the hub and unable to rotate on their own axis. Today’s designs, however, envisage variable rotor speed and likewise variable blade pitch (pitch control). In these machines the blades are secured to the hub with a bearing that enables them to turn on their own axis. By rotating the blades within a certain variable speed range, maximum aerodynamic efficiency can be held at wind speeds of 6 to 9 m/s. Inasmuch as the machines run at only partial load at those speeds, rated capacity is not reached. Nonetheless, given the frequency distribution of wind speed vs time in hours, aerodynamic optimisation in that range maximises annual power output. Further to the principles of aerodynamics, maximum blade efficiency is attained at low rotating speeds in


X.I. AEROGENERADORES

unos 6 m/s y 9 m/s de velocidad de viento. Aunque en ese punto no se haya alcanzado la potencia nominal y se esté en cargas parciales, el número de horas al año por la distribución estadística de las velocidades de viento hace que la optimización aerodinámica en este rango consiga maximizar la energía anual producida. Por los principios de la aerodinámica, para conseguir mantener la máxima eficiencia las palas deben girar a baja velocidad de rotación cuando el viento es más suave y girar más rápido en la medida en que aumenta la velocidad del viento. Para mantener la frecuencia de la red eléctrica con esta velocidad de rotación variable en el generador eléctrico, los aerogeneradores incorporan equipos de electrónica de potencia que corrigen esta variabilidad. Aunque existen aerogeneradores diseñados con una única pala (monóptero) o dos palas (bipala), el modelo de aerogenerador tripala es el más extendido. Esto es debido a que estructuralmente tiene una distribución de cargas más homogénea, con menor rango de variabilidad para cada instante, minimizándose así los esfuerzos en los distintos componentes del aerogenerador y un impacto visual más aceptable, dentro de la subjetividad de este último concepto. Además la eficiencia de un monóptero es menor, alrededor de un 12% que en la de dos palas y un 17% menor que en la de tres. Dicha mejora de eficiencia, junto a unos esfuerzos mecánicos mejor distribuidos, hacen que la configuración tripala sea actualmente la más competitiva en Coste de Energía, llegando a competir en precio con las fuentes tradicionales de energía.

2. Pala Para convertir la energía cinética del viento en energía de rotación que alimente el generador eléctrico, el componente más importante es la propia pala. Trabaja como una viga en voladizo conectada al buje con un rodamiento que le permite girar sobre su eje para controlar las fuerzas aerodinámicas. Palas de más de 60 metros con un peso del orden de 15 Tm se fabrican con materiales composites, compuestos de una

WIND TURBINES

moderate winds and higher rpms as the wind speed rises. Wind turbines are fitted with power electronics facilities to correct this variability and thus deliver power at the electricity grid frequency despite the variation in generator rotating speed. Whilst some wind turbines are designed with just one or two blades, three-blade machines are the type most widely installed. The reason for the popularity of this configuration is that it distributes loads more evenly on the structure and ensures a narrower instantaneous range of variation. It also minimises the forces on wind turbine components and, allowance made for the subjectivity of the contention, can be said to have a more acceptable visual impact. Moreover, monoblades are 12 % less efficient than two blade machines and 17 % less than their three-blade counterparts. With their higher efficiency and more suitably distributed mechanical forces, three-blade wind turbines produce energy at a lower cost than the other two options and are able to compete with traditional sources of energy in terms of CoE.

2. Blades From the standpoint of conversion of kinetic wind energy into the rotational energy that drives the generator, blades are the most important component of wind turbines. These elements, which work like cantilevered beams, are attached to the hub with bearings that enable them to turn on their own axis for the control of aerodynamic forces. Blades made of composite materials, i.e., glass- or carbon-fibre-reinforced epoxy or polyester, can measure over 60 m long and weigh on the order of 15 t. The enormous dimensions of the blades and the huge loads borne by wind turbines (operating at up to 90 km/h) call for very stiff structures. The choice between the two options, lower mechanical performance, heavier fibreglass (which adds to rotor weight) versus stiffer and lighter but costlier carbon fibre, depends on design requirements. The use of carbon 193


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

matriz de resina (epoxi, poliéster,..) que se refuerza con fibras de vidrio o de carbono. Las grandes dimensiones de las palas junto con las elevadas cargas que sufre un aerogenerador (funcionan hasta los 90 km/h) requieren estructuras muy rígidas. Para alcanzar los valores requeridos por diseño hay que estudiar el balance entre el uso de fibra de vidrio con menores propiedades mecánicas, lo que aumenta el peso del rotor vs. la fibra de carbono, más rígida y ligera pero mucho más cara. El uso de fibra de carbono en grandes palas empieza a ser más extendido en la medida en la que los precios de la fibra se reducen y a la vez se va incrementando la experiencia en su aplicación al sector eólico, que es muy diferente a la aplicación en el sector aeronáutico. El diseño de una pala consta tres aspectos a los que hay que prestar atención: la forma exterior, que dará sus prestaciones aerodinámicas, la parte estructural que soporta los esfuerzos mecánicos y la parte de materiales, con efecto tanto en la parte estructural como en el comportamiento de la pala ante agentes externos (erosión, descargas eléctricas, etc.). El diseño de la pala en su forma exterior parte de una zona cilíndrica en su raíz donde se une con el buje, a partir de la cual se apilan perfiles aerodinámicos desarrollados ex profeso por centros como TU-Delft, Risoe, NREL..., buscando la máxima producción de energía, pero teniendo en cuenta las cargas que se van a introducir en la propia pala y en el resto de componentes del aerogenerador, así como el ruido aerodinámico que se produce. Al incidir el viento en el perfil aerodinámico de la pala se originan unas diferencias de presión entre la parte superior e inferior de la misma que crean las fuerzas de sustentación y de arrastre cuya resultante es el empuje que mueve la pala. Ambas fuerzas dependen del ángulo incidente del viento (ángulo de ataque) y lo que se busca es que la relación entre la sustentación y el arrastre sea la mayor posible. A medida que aumenta el ángulo de ataque aumenta dicha relación hasta un cierto valor en el que por fenómenos de turbulencia el perfil pierde sustentación y entra en pérdida. 194

Rotación Rotation

Flujo del viento Wind flow

Sustentación Lift Arrastre Drag

Fig. 2. Principios de sustentación por levantamiento en un aerogenerador Fig. 2. Principles of wind turbine aerodynamic lift

fibre in large blades is becoming more widespread with falling prices and growing experience in the wind industry, where its application differs greatly from usage in aeronautics. Three factors must be borne in mind in blade design: their shape, which determines their aerodynamics, the structure that supports the mechanical forces and the materials, which affect both structure and blade resistance to external agents (such as erosion and lightning). The aerodynamic profiles that constitute the blade spring from its cylindrical root attached to the hub. These profiles, developed for manufacturers by technological institutions


X.I. AEROGENERADORES

En un aerogenerador, la fuerza de sustentación y la fuerza de arrastre en las palas se transforman en una fuerza que hace girar el eje de la máquina -par mecánico- y que se aprovecha para producir electricidad, así como un empuje horizontal sobre el mismo eje de giro. Dicho empuje, además de ser variable en función de las condiciones de viento, no genera energía pero si esfuerzos mecánicos que deben resistirlos tanto la torre como la cimentación, entre otros componentes (fig. 2). Como la velocidad de giro lineal es mayor a medida que nos alejamos del centro del buje, la pala se construye con un ángulo (twist) desde la punta a la raíz para compensar la diferencia de velocidad. Con ello se consigue mantener tanto el ángulo de ataque como el par mecánico constantes a lo largo de la pala y la relación sustentación/arrastre óptima. El diseño estructural para soportar dichas cargas contempla el ensamblaje de distintos componentes como largueros y vigas fabricados con varios tipos de tejido (uniaxial, biaxial, triaxial) y de materiales. Para minimizar el peso de la pala se utilizan también materiales de relleno o núcleos (madera de balsa, PVC, etc.). Para la fabricación de las palas, al ser materiales compuestos, se utilizan procesos de infusión de resina o el uso de materiales pre-impregnados que son las dos tendencias más generalizadas actualmente. Las palas se fabrican en dos piezas longitudinales (semivalvas) a las que se añaden los elementos estructurales y se unen con adhesivos. Debido a la importancia de las palas en la estabilidad del aerogenerador, han de someterse a ensayos estáticos y de fatiga para su certificación. El recubrimiento superficial de la pala debe preservarla de la erosión de la lluvia, granizo, arena y de los rayos del sol. En zonas del norte de Estados Unidos, Canadá o Escandinavia, la presencia de hielo en las palas supone una degradación de las propiedades aerodinámicas y por consiguiente una pérdida de producción muy relevante, además del riesgo de proyección de

WIND TURBINES

such as TU-Delft, Risoe or NREL, are designed to obtain the maximum power output, a parameter conditioned by the loads to which the blades themselves and the other wind turbine components are exposed and the aerodynamic noise generated. The impact of the wind on the aerodynamic profile induces differences in pressure at the top and bottom, creating lift and drag whose resultant force is the thrust that drives the blade. Both lift and drag depend on the angle of incidence of the wind (angle of attack): the aim is to attain the highest possible ratio between lift and drag. That ratio rises with the lift angle up to a certain value, after which lift declines due to turbulence and the blade stalls. In wind turbines, the lift and drag on the blades are transformed into mechanical torque, a force that turns their shaft, generating electricity as well as horizontal thrust on the shaft. That thrust varies with wind conditions and generates not energy but mechanical forces that must be resisted by both the tower and its foundations, as well as other components (Fig. 2). As the linear speed of rotation rises with distance from the centre of the hub, blades are designed with a twist angle from the tip to the root to offset the difference in speed. That keeps both the lift angle and the mechanical torque constant across the length of the blade and ensures an optimal lift/drag ratio. To withstand these loads, the structural design envisages components such as shear webs and spar caps made with uni–, di– or triaxial fabric. Filler or core materials such as balsa wood or PVC are also used to minimise blade weight. The two techniques most commonly applied today for the composites used in blade manufacture are resin infusion and pre-impregnated materials. Blades are made from two longitudinal components (shells) to which structural members are added and which are secured to one another with adhesives. Given the importance of blades in wind turbine stability, they must be tested for static resistance and fatigue to be certified. 195


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WITH A FAIR WIND

las placas de hielo depositadas. Para evitar este efecto, se han desarrollado tecnologías que mantengan caliente el borde de ataque de las palas bien sea por la introducción de capas de material conductor con alimentación eléctrica o bien sea por la inyección de aire caliente desde aerotermos instalados en la raíz de la pala. Las descargas electrostáticas son un factor muy importante a tener en cuenta en el diseño de las palas, al ser muy probable el impacto de rayos debido a las dimensiones y cargas electrostáticas por fricción con el aire. Para ello se instalan una serie de receptores a lo largo de la superficie de la palas que conducen el rayo de forma segura hasta su raíz y, a través del buje y toda la estructura, se descarga a tierra sin afectar el funcionamiento del aerogenerador. Las palas de los aerogeneradores se fabrican en una única pieza. Debido a sus dimensiones y pesos, se transportan sobre plataformas extensibles que requieren de amplios radios de giro. Para zonas con grandes limitaciones en el acceso, se han desarrollado uniones modulares que permiten transportar las palas en dos secciones y unirlas en parque por medios mecánicos o químicos.

3. Buje El buje es la pieza a la que se conectan las tres palas y se une al eje principal de la turbina. Tiene dos misiones: soportar las tres palas y transferir los esfuerzos al eje de giro y alojar el actuador de giro de las palas. Fabricado en hierro nodular para soportar cargas extremas y de fatiga, consta de tres bridas con sus rodamientos para el giro de pala y con los accionamientos correspondientes. Para controlar el ángulo de ataque de las palas y por tanto su eficiencia se dispone dentro del buje de tres actuadores (uno por pala) independientes entre ellos. Dichos actuadores han de estar equipados de 2 sistemas en paralelo, uno para operación normal y otro que garantice que las palas pasan a posición 196

Blade surfacing must afford protection from erosion induced by rain, hale, sand and the sun’s rays. In Canada, Scandinavia and the northern United States, ice build-up on the blades reduces their aerodynamic properties, lowers output significantly and raises the risk of ice throw. Technologies developed to prevent ice gathering include heating the leading (upwind) edge by embedding thin-foil electrical resistors in the blade or injecting hot air from fan heaters built into the root. Electrostatic discharges are an important factor to be borne in mind in blade design, given the likelihood of lightning strikes due to the dimensions of these elements and the electrostatic charges generated by friction with the air. To that end, a series of receivers are built into the blade surface that conduct lightning safely to the root and from there across the hub and the rest of the structure to ground, without affecting wind turbine operation. Wind turbine blades ship from the plant as a single piece. In light of their dimensions and weight, they are transported on expandable platforms that require wide turn radii. For sites with severely limited access, modulated joints have been developed to ship blades in two sections that are subsequently attached mechanically or chemically on site.

3. H ubs The hub, the element to which the three blades are connected, is secured to the main shaft of the wind turbine. It has a dual purpose: to support the three blades, transferring their stresses to the shaft, and to house their rotary actuator. Made of nodular cast iron to support extreme loads and fatigue, it has three openings skirted by flanges fitted with bearings and the drives needed for blade rotation. Blade lift angle and efficiency are controlled by three separately operating actuators (one per blade) housed in the hub. These actuators must be equipped with two parallel systems, one for normal operation and the other to park the blades in a


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WIND TURBINES

segura en caso de fallo. Hay dos sistemas de actuación muy extendidos:

safe position in the event of failure. Two widely used actuator systems are in place.

–– Sistema hidráulico: son cilindros hidráulicos que en su movimiento de entrada y salida consiguen que la pala pivote unos 90 grados desde la posición de seguridad o mínimo empuje aerodinámico (posición de bandera) hasta la posición de máximo empuje (fine pitch). En acumuladores hidráulicos se almacena la energía suficiente para poder llevar cada pala a la posición de seguridad ante cualquier fallo del sistema de control o corte en el suministro de energía.

–– In hydraulic systems, hydraulic cylinders slide in and out, pivoting the blade by around 90 degrees from the safety or minimum aerodynamic position (full feathering) to the maximum thrust or fine pitch position. Hydraulic accumulators store sufficient energy to pitch each blade to feather in the event of control system failure or a power outage. –– In electromechanical pitch systems the blade is rotated by an electrical gearbox-driven pinion that engages with the blade bearing teeth. In this case the energy to park the blade at full feather is stored in batteries or capacitors.

–– Sistema electromecánico: el giro de la pala se consigue por medio del engrane de un piñón accionado desde una motorreductora eléctrica sobre uno de los aros dentados del rodamiento de la propia pala. En este caso, la energía para llevar la pala a posición de seguridad se almacena en baterías o en condensadores. En ambos casos el control del ángulo de posición de la pala es crítico ya que con la posición de las palas se define la producción y la carga sobre el aerogenerador. La operación de las palas puede ser colectiva buscando la misma posición final, como individual si aplicamos estrategias de pitch asimétrico donde se corrige la posición de la pala en función de su posición azimutal. Todo este conjunto está protegido por una carcasa llamada cono-nariz. Esta envolvente se fabrica en material composite, generalmente resina poliéster reforzada con fibra de vidrio. Debe soportar cargas del viento y las condiciones atmosféricas de lluvia, granizo con resistencia a los rayos ultravioleta del sol. En su diseño se tiene en cuenta la forma aerodinámica y los criterios de ergonomía y seguridad para facilitar el acceso a los técnicos de mantenimiento y el intercambio de componentes. Las dimensiones de este conjunto son del orden de 4 metros de diámetro en la base del cono y unos 4 metros de altura, con un peso alrededor de las 40 T.

In both cases blade pitch control is crucial, for the position of the blades defines both output and the load on the wind turbine. Blades can be operated collectively, in pursuit of the same final position, or individually, applying asymmetrical pitch strategies to correct the blade position with respect to the azimuthal reference. This entire assembly is protected by a casing called the nose-cone made of a composite material, usually a fibreglass-reinforced polyester resin, able to resist wind loads and adverse weather conditions such as rain, hale and the sun’s ultraviolet rays. The cone must be designed to aerodynamic as well as ergonomic and safety criteria to facilitate access by maintenance technicians and the replacement of components. This unit measures on the order of 4 metres in diameter at the base and 4 metres high and weighs around 40 t.

4. Nacelle The nacelle is the part of the wind turbine that houses the drivetrain and electric generator, as well as a number of electrical, control and cooling components. Its design as well as its dimensions and weight vary widely with wind turbine typology and manufacturer. In direct drive wind turbines, the nacelle is very large and heavy and adopts a (normally circular) 197


CON EL VIENTO A FAVOR

4. N acelle

o

WITH A FAIR WIND

Góndola

La nacelle es la parte del aerogenerador que alberga el tren mecánico y el generador eléctrico, así como diversos componentes eléctricos, de control y de refrigeración. Su diseño varía ostensiblemente dependiendo de la topología de aerogenerador elegido y las características propias de cada fabricante, al igual que sus dimensiones y pesos. En el caso de aerogeneradores multipolares (direct drive), la configuración de la nacelle es tipo “disco”, generalmente de forma circular y con grandes diámetros y pesos. En el caso de aerogeneradores con multiplicadora (geared), la nacelle suele ser alargada y de sección cuadrada. Al igual que la envolvente del cono-nariz, la envolvente de la nacelle se fabrica en material composite. En su diseño se busca ligereza pero, a la vez, resistencia para soportar cargas del viento e incluso de nieve depositada en su capota y soportar las condiciones atmosféricas. El espacio que queda entre la envolvente y la maquinaria interior facilita las labores de mantenimiento e incorpora iluminación y un polipasto para izar pequeños repuestos y consumibles. A la vez que aísla a la maquinaria del ataque de elementos externos (agua, polvo, …) tiene que permitir la correcta ventilación de los equipos puesto que las pérdidas mecánicas por rozamientos o las pérdidas eléctricas generan una cantidad de calor del orden del 4% de la potencia nominal del aerogenerador. Las nacelle requieren un transporte especial, con una plataforma que soporte las más de 100 T de una turbina con multiplicadora y con longitudes de 12 metros por cuatro metros de altura y anchura. En caso de limitación de peso, se puede desmontar algún subconjunto para volver a ser ensamblado in situ. El mayor diámetro y peso de una máquina multipolar implica que debe subdividirse en sectores para su transporte y ensamblaje en parque.

198

‘disk’ configuration. In geared wind turbines, the nacelle is usually elongated and has a square section. Like the nose-cone casing, the nacelle cover is made of a composite material. It must be lightweight but also strong enough to bear wind load and even snow build-ups and to resist atmospheric agents. The space between the nacelle cover and the machinery it houses, used for maintenance, is fitted with lighting and a hoist to lift small replacement parts and consumables. In addition to protecting the machinery from outdoor agents (such as water and dust), it must provide for due ventilation, for mechanical friction and electrical losses generate heat on the order of 4 % of the turbine’s rated capacity. Nacelles must ship on special transport. Turbines with multipliers, for instance, weigh over 100 t and measure 12 metres long by 4 metres high and wide. Where weight limits are in place, some of the sub-assemblies can be shipped separately and re-assembled in situ. The greater diameter and weight of direct drive machines necessitate their division into segments for transport and subsequent re-assembly on site.

5. Drivetrain The hub is connected to a main shaft which, supported by one or two bearings, transfers the rotation torque to the multiplier. The main shaft is secured to the hollow multiplier shaft with a mechanical or hydraulic cone-shaped collar. The bearings also receive the moments and forces from the rotor, which they transfer to the bed plate or main frame. Spherical roller bearings transfer torque while adapting to the strain on the shaft and capturing the axial thrust. Lubricating these bearings is vital for, although they rotate at low speed, they must bear huge forces and work in a wide range of temperatures. In direct drive setups, the hub is usually connected to the electricity generator rotor directly or across support structures that absorb all loads other than torque. A wide variety of typologies are in place with one, two or even three bearings.


X.I. AEROGENERADORES

5. Tren

de

Potencia

El buje se conecta a un eje principal que apoyado en uno o dos rodamientos transmite el par de rotación a la multiplicadora. La unión entre el eje principal y el eje hueco de la multiplicadora se realiza con un collarín cónico mecánico o hidráulico. Estos rodamientos también reciben los momentos y fuerzas del rotor y los derivan hacia la bancada o bastidor principal. Rodamientos de rodillos oscilantes esféricos transmiten el momento torsor a la vez que se adaptan a las deformaciones del eje y capturan los empujes axiales. El engrase de estos rodamientos es crítico puesto que, aunque la velocidad de rotación a la que se gira es baja, los esfuerzos que soportan son muy elevados y el rango de temperaturas de trabajo puede tener una gran variación. En el caso de una configuración de acoplamiento directo, el buje suele ir conectado al rotor del generador eléctrico bien directamente o bien a través de estructuras de soporte que absorban las cargas no torsionales. En este caso se pueden encontrar topologías muy diversas con uno, dos o hasta tres rodamientos.

6. M ultiplicadora En la mayoría de los aerogeneradores, excepto los multipolares, entre el viento que mueve las palas y el generador eléctrico hay un convertidor mecánico que aumenta la velocidad de giro hasta las necesarias para que la máquina eléctrica pueda generar potencia a la frecuencia de red adecuada. La potencia es el producto del par por la velocidad de giro. El alto par de las palas que se transmite a baja velocidad se transforma en bajo par y altas revoluciones en el generador por medio de la multiplicadora. Todo el tren de potencia se resume en este concepto. La multiplicadora es el elemento más crítico del tren mecánico y en su diseño deben contemplarse con la mayor precisión las cargas que va a soportar tanto en funcionamiento normal como

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6. Gearbox In non-direct drive (i.e., most) wind turbines a mechanical converter is positioned between the wind that moves the blades and the electricity generator. This device raises the speed of rotation as necessary for the electrical machine to generate power at a frequency suitable for delivery to the grid. Power is the product of torque times the speed of rotation. The gearbox converts the high torque on the blades and their low speed to low torque and high rpm in the generator. This, in a nutshell, is the core principle in drivetrain operation. The gearbox is the most crucial element in a mechanical drivetrain. The loads to be borne both during normal operation and under extreme conditions must be envisaged in its design. Wind gusts and turbulence condition the sizing of this assembly. Hence the importance increasingly attached to control which, using sophisticated algorithms, adjusts the input loads on the gearbox to prevent both over-engineering and premature failure. Moreover, as wind turbines are designed for a service life of a mere 20 years, replacing major components is very costly. Although the blades in new designs tend to be longer, the speed at the tip must not be in excess of a certain ceiling to keep noise from intensifying and prevent leading edge erosion. Consequently, the longer the blades, the slower is rotor speed. That, together with the increased capacity of the most modern wind turbines, translates into torque about 20-fold higher than accommodated by the machines installed 20 years ago. Since electricity generators have the same rated speed regardless of their capacity, longer blades call for higher gear ratios. These ratios are attained with the gearbox, which conveys this high torque by raising the shaft speed of the high speed gear connected to the electricity generator to 100 times the shaft speed of the low speed gear, i.e., the blade rotation speed. Latest generation gearboxes consist in two planetary gear trains and a parallel gear stage to adjust the output ratios. The planet gear carrier in the first train engages with the main shaft, driving a suite of around four planet gears that revolve 199


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

en los casos de carga extrema. Las ráfagas de viento y la turbulencia de éste condicionan el dimensionamiento de todo el conjunto y por ello la importancia que se presta cada día más al control que, mediante sofisticados algoritmos, ajusta las cargas de entrada de la multiplicadora para evitar sobredimensionamientos o fallos prematuros. Es importante tener en cuenta que los aerogeneradores se diseñan con una vida mínima de 20 años, y el cambio de componentes de gran tamaño es de un coste considerable. Aunque la longitud de las palas va aumentando en nuevos diseños, la velocidad de la punta de la pala no debe aumentar para evitar el incremento del ruido y la erosión del borde de ataque, por lo que el rotor gira más despacio cuanto mayor es la longitud de las palas. Esto unido al aumento de la potencia de los aerogeneradores más modernos hace que el par a transmitir sea del orden de 20 veces mayor que el par de máquinas instaladas hace 20 años. Puesto que los generadores eléctricos tienen la misma velocidad nominal independientemente de la potencia que manejen, a mayor longitud de pala se requieren ratios de multiplicación mayores. La multiplicadora es la caja de engranajes que puede transmitir este elevado par multiplicando por una relación con valores de 1 a 100 la velocidad del eje de alta que se conecta al generador eléctrico respecto a la velocidad del eje lento o de rotación de la palas. Las multiplicadoras de última generación constan de dos trenes de engranajes planetarios y una etapa paralela para ajustar los ratios de salida. El portasatélites del primer tren planetario se fija al eje principal y arrastra un conjunto de unos cuatro satélites, que a su vez giran respecto a la primera corona fija transmitiendo el movimiento al primer piñón solar. Este primer piñón solar transmite el giro al segundo portasatélites de forma análoga a la de la primera etapa, la segunda etapa planetaria acciona al segundo piñón solar conectado a la rueda de la etapa paralela (figs. 2 & 3, multplicadora). La alta precisión y calidad en el tallado de engranajes consigue minimizar las vibraciones y el ruido. En el cálculo de la multi200

inside the first ring gear, transferring the motion to the first sun gear. The first sun gear then conveys the rotary motion to the second planet gear carrier, and as in the first gear train, the planet gears in the second train drive the second sun gear, in turn connected to the parallel gear stage. High machining precision and quality minimise gear vibration and noise. In multiplier design, the constituent bearings are another crucial component and the object of innovations such as bearings built into the planet gears, with the outer track machined into the planet itself. The torque variations in the multiplier are cushioned by the reaction arms on either side that convey these loads to the main frame through silence blocks or spring and rubber shock absorbers. With the increase in the torque to be conveyed, multiplier lubrication and cooling have become increasingly complex and crucial. In addition to partial immersion of the gears and bearings in the gearcase oil and conventional splash lubrication, a hydraulic pump is needed to inject pressurised oil into all the bearings through a complex system of pipes and hydraulic rotary joints inside the multiplier. This oil is filtered to remove suspended particles and flows over a cooling radiator or heat exchanger to lower the temperature, for mechanical losses in the multiplier can amount to 4 % of turbine rated capacity. Multipliers are tested one by one with load cycles of up to 100 % of the rated load. Prior to certification, they must also pass highly accelerated life tests (HALT). In these destructive tests the specimen is subjected to fatigue equivalent to 20 years of wind turbine service life in just 200 hours, and for a few seconds to loads double those present when the turbine is operating at rated capacity. The hollow multiplier shaft houses hydraulic pipes and cables that carry energy and signals to the hub. To that end, electrical and hydraulic rotary connections are installed as necessary on the high speed side of the multiplier. By way of example, a multiplier for a 3-MW wind turbine weighs on the order of 25 t.


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WIND TURBINES

plicadora, los rodamientos que la componen también son otro punto crítico con nuevos conceptos como rodamientos integrados en los propios satélites, en los que la pista exterior se mecaniza en el satélite. Las variaciones del par en la multiplicadora se amortiguan en los brazos de reacción que a ambos lados transmiten estas cargas al bastidor principal a través de silence-blocks o conjuntos de muelles y amortiguadores de caucho. Con la mayor demanda de transmisión de par, la lubricación y refrigeración de este conjunto se hace cada vez más compleja y crítica. Además de la lubricación por inmersión parcial de engranajes y rodamientos en el aceite del cárter y de la lubricación por salpicadura, una bomba hidráulica tiene que inyectar aceite a presión a todos los rodamientos pasando por un complejo sistema de tuberías y de juntas rotativas hidráulicas internas a la multiplicadora. Este aceite es filtrado para eliminar las partículas que se originan durante el funcionamiento y también pasa por un radiador o intercambiador de calor para refrigerar el conjunto puesto que las pérdidas mecánicas en la multiplicadora alcanzan un 4% de la potencia nominal. La multiplicadora se ensaya de forma unitaria con ciclos de carga hasta el 100% de la carga nominal. Para su certificación, también se realizan ensayos de fatiga acelerada (HALT). En este caso, los ensayos son destructivos y en unas 200 horas de prueba se aplica un daño a fatiga equivalente al de los 20 años de vida del aerogenerador, sometiendo por momentos a cargas que duplican las cargas a potencia nominal. Por el eje hueco de la multiplicadora pasan tuberías hidráulicas y cables para llevar energía y señales al interior del buje. Para ello se conectan juntas rotativas eléctricas e hidráulicas si fuese el caso, en el lado de alta de la multiplicadora. Como referencia, el peso de una multiplicadora de 3 MW se sitúa en el entorno de unas 25 toneladas. Figs. 2 & 3. Multiplicadora Figs. 2 & 3. Gearbox 201


CON EL VIENTO A FAVOR

7. E je

de

WITH A FAIR WIND

A lta V elocidad

El eje de salida o eje de alta velocidad de la multiplicadora se conecta con el generador eléctrico por medio de un acoplamiento elástico. Este acoplamiento consta de un disco freno que puede estar dentado en su diámetro exterior para facilitar la rotación de las palas con la ayuda de una motorreductora. La motorreductora tiene una finalidad exclusiva de montaje o de mantenimiento. El disco se fija al eje de salida de la multiplicadora con un collarín cónico y se frena con pinzas de freno similares a las de vehículos industriales, las cuales al recibir presión hidráulica aplican la fuerza de sus pistones a unas pastillas de fricción que rozan contra el disco. Aunque los aerogeneradores modernos cuentan con el freno aerodinámico por triplicado, y con que una pala llegue a posición de bandera el rotor se detendrá, por razones de seguridad y en particular si hay técnicos en la nacelle, debemos contar con un sistema que bloquee en pocos segundos de forma total el giro del conjunto. Por ello, la cadena de seguridad del aerogenerador activará el freno del eje de alta velocidad si alguien pulsa una seta de emergencia, aparte de otras condiciones que lo exijan durante el funcionamiento en modo automático. Al eje del generador eléctrico se le acopla el otro extremo del acoplamiento elástico con otro collarín cónico. La misión de este acoplamiento elástico es la de transmitir el par a alta velocidad hasta el generador, absorbiendo las vibraciones y desalineaciones que se producen al aumentar la carga. Hay diferentes sistemas como los de bielas conectadas con amortiguadores de caucho o los de láminas de material compuesto. Otra función que deben cumplir es la de aislar eléctricamente el generador de la multiplicadora de forma que no puedan circular corrientes entre ellos. Los códigos de conexión a red exigen que los aerogeneradores no se desconecten cuando hay un hueco de tensión. Según la configuración eléctrica definida, esto puede significar la generación de picos de par en los transitorios de dichos huecos de tensión. Por ello, en algunas tecnologías el acoplamiento elástico debe permitir el deslizamiento del generador frente a la 202

7. H igh S peed S haft The multiplier’s output or high speed shaft is connected to the electricity generator with an elastic coupling consisting in a disk brake that may be toothed on its outer diameter to enhance blade rotation with the aid of a reduction gearbox. The sole purpose of the gear drive is to facilitate assembly or maintenance. The disk, secured to the output side of the multiplier with a cone-shaped collar, is braked with callipers similar to the ones on industrial vehicles, which apply the hydraulic pressure exerted on their pistons to brake pads that rub against the disk. Not only are modern wind turbines triply fitted with aerodynamic brakes, but the rotor stops as soon as any one of the blades is pitched to full feather. Nonetheless, for reasons of safety and especially when technicians are inside the nacelle, a system must be in place to fully stop all motion in a matter of seconds. The turbine’s safety chain consequently trips the high speed shaft brake if an emergency push-button is pressed or in other conditions requiring interruption when it is operating in automatic mode. The other end of the elastic cone-shaped collar coupling is attached to the electricity generator. This elastic coupling conveys torque to the generator in the form of high speed, absorbing the vibrations and misalignments generated as the load rises. A number of systems are available, including rubber shock absorber-connected draw rods or composite membranes. The coupling must also insulate the generator from the multiplier to prevent possible short-circuiting. Further to grid connection codes, wind turbines may not be disconnected during voltage drops. Depending on the electrical setup defined, this may translate into the generation of torque peaks in transients appearing in the wake of voltage drops. For that reason, in some technologies the elastic coupling must also allow the generator to slide with respect to the multiplier, using friction-controlled materials to allow the generator and multiplier to rotate at different speeds until normal grid connection is restored.


X.I. AEROGENERADORES

multiplicadora con materiales de fricción controlada para que generador y multiplicadora giren a distinta velocidad hasta que se recupere la normal conexión a la red.

8. Generador Debido a los requerimientos de cumplimientos de condiciones de red cada vez más exigentes, la calidad de la energía entregada a la red eléctrica por los aerogeneradores es cada vez más elevada. Según los códigos de conexión a red, se demandan funcionamientos con aporte de energía reactiva, con variación de voltaje y de frecuencia además de soportar huecos de tensión. De esta manera, los aerogeneradores han pasado de causar perturbaciones a la red eléctrica, como en las primeras tecnología de paso fijo y velocidad fija, a contribuir de forma eficaz a la estabilidad de la propia red. Ello también ha permitido que el porcentaje de generación eólica aumente significativamente dentro del mix energético en cada país, llegando en algunos casos a ser la primera fuente de energía. La tipología eléctrica elegida condiciona significativamente la integración en red de los aerogeneradores. Debido a ello hay dos tecnologías de generación que en los últimos años han destacado sobre las demás, que son la generación asíncrona con rotor bobinado y la generación síncrona con imanes permanentes. En el caso del generador asíncrono de rotor bobinado, el estator de la máquina eléctrica se conecta a la red de forma directa como en máquinas de 12.000 V o a través de un transformador de tensión en máquinas de menor voltaje. Debido a la variabilidad del viento y a su diseño, los aerogeneradores giran a velocidad variable para conseguir estar en zona de máximo rendimiento aerodinámico a bajas cargas y también pueden acelerarse ante ráfagas de viento para reducir las cargas mecánicas en el aerogenerador. Para que la frecuencia de la red no se vea alterada, por medio de un convertidor y a través de escobillas y anillos rozantes, se inyectan en el rotor corrientes que corrigen el campo magnético. Estas corrientes pasan por un equipo de electrónica de potencia rectificador-inversor

WIND TURBINES

8. Generator In compliance with ever more demanding grid requirements, the quality of the power delivered to the electricity grid by wind turbines has risen steadily. According to grid connection standards, supply must include reactive energy, variable voltage and frequency, and voltage-drop resilience. Consequently, wind turbines have evolved from the fixed pitch, fixed speed technology that in the early days caused grid disturbance into technologies that effectively contribute to grid stability. That has also meant a significant rise in the percentage of wind generation in national energy mixes, in some of which it now holds the lead position. Wind turbine integration in the grid is narrowly conditioned by the electricity typology chosen. As a result, two generation technologies have tended to predominate in recent years: wound rotor asynchronous generators and synchronous generation with permanent magnets. In wound rotor asynchronous generators, the stator may be connected to the grid directly, as in 12 000-V machines, or via a voltage transformer in lower voltage machines. Due to wind variability and turbine design, to reach the zone of maximum low load aerodynamic performance, these machines rotate at variable speeds and may accelerate in response to wind gusts to lower the mechanical loads borne. Current can be injected into the rotor to correct the magnetic field by means of a converter, using brushes and friction rings to ensure that the grid frequency is not altered. This current flows through a rectifier-inverter power electronics facility where alternating current is converted to direct current and then back to alternating current once the frequency is corrected to offset variations in rotor speed. All manners of active and reactive current can be obtained by regulating the generator’s rotor circuit, and the generator can operate to any power factor requirement. The system is connected directly to the grid or across a step-up transformer, depending on wind farm typology. 203


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

en el que cambian de corriente alterna a corriente continua y vuelven a corriente alterna pero con la frecuencia corregida que compense las variaciones de velocidad del rotor. Controlando el circuito del rotor del generador se puede conseguir cualquier corriente activa o reactiva y el generador opera a cualquier requerimiento de factor de potencia. La conexión a red es directa o a través de un transformador elevador dependiendo de la tipología del parque. Las ventajas de este sistema son su alta eficiencia (al rectificar solo una pequeña parte de la potencia total) y una baja cantidad de armónicos. La desventaja puede ser el mantenimiento de las escobillas que alimentan el rotor. Los generadores síncronos de imanes permanentes permiten un control total de la integración en red del aerogenerador y evitan los picos de par en el caso de huecos de tensión, pero la totalidad de la potencia generada debe pasar por el rectificador e inversor. Esto implica un mayor coste de la electrónica de potencia a la vez que las pérdidas en estos equipos pueden alcanzar un 3% de la potencia total generada. Existe el riesgo de desmagnetización si se opera a temperaturas elevadas. En estos generadores el voltaje no puede ser muy elevado y requieren siempre de un transformador. En los generadores eléctricos también se plantea la necesidad de refrigeración para evacuar el calor generado por perdidas principalmente eléctricas. Con intercambiadores aire-aire o aire-agua, se extrae el calor y se expulsa fuera de la nacelle por las rejillas de ventilación o situando el radiador en el exterior.

9. Sistema de O rientación El conjunto de nacelle y rotor con las palas, se conecta a la torre eólica por medio del sistema de orientación (sistema de yaw), de forma que pueda girar buscando la dirección del viento. El número de vueltas que pueda girar a derecha o a izquierda dependerá de los límites fijados en el enrollamiento de los cables que salen de la nacelle y bajan por la torres llegando en algunos casos hasta un máximo de cuatro vueltas. 204

The advantages of this system include its high efficiency (only a minor portion of the total capacity needs to be rectified) and the small amount of harmonics generated. The drawback is the need for upkeep on the brushes that feed the rotor. Whilst permanent magnet synchronous generators afford total control of wind turbine integration in the grid and prevent torque peaks in the event of voltage gaps, all the power generated must flow through the rectifier and inverter. This raises the cost of power electronics, facilities in which losses may amount to as much as 3 % of the total power output. Moreover, these generators may become de-magnetised when operating at high temperatures and as they deliver only low voltage electricity, a transformer is always needed. Electricity generators also call for a cooling system to evacuate heat, induced primarily by electric losses. Heat is removed from nacelles by air-air or air-water heat exchangers and released into the surrounding air either directly when these cooling radiators are positioned outdoors or by venting if they are positioned indoors.

9. Y aw S ystem The entire nacelle-rotor-blade assembly is connected to the tower by the yaw system on which it turns to follow the direction of the wind. The number of times it can turn to the right and left depends on the coiling in the cables that run down the tower from the nacelle, which in some cases accommodate up to four turns. The nacelle is built to rotate by positioning its main frame on either a ball bearing (as in tower cranes) or a sliding bearing. The power to move the assembly is supplied by a set of electrical reduction gearboxes secured to the main frame, whose pinions engage with the toothed bearing ring at the top of the tower. A disk brake system built into the tower whose brake callipers are attached to the frame can be combined with the electrical brakes in the reduction gearboxes to hold the nacelle in an upwind position.


X.I. AEROGENERADORES

WIND TURBINES

El giro se consigue instalando la bancada principal de la nacelle sobre un rodamiento, que puede ser de bolas (como en las grúas torre) o plano con patines de fricción de teflón. El movimiento lo introduce un grupo de motorreductoras eléctricas fijas al bastidor principal, cuyos piñones engranan con la corona dentada del rodamiento unida a la torre. Para mantener la posición frente al viento se puede combinar un sistema de disco de freno solidario a la torre y pinzas de freno unidas al bastidor, con los frenos eléctricos de las motorreductoras.

10. C ontrol System

10. Sistema

Wind generators operate automatically. The external signals captured by sensors such as anemometers, wind vanes and thermometers and the internal signals with information on subsystem electricity variables (voltage, current, power), rotating speeds or hydraulic pressures are processed by the computer installed in the nacelle’s control cabinet. The control software and algorithms emit commands that trip motors and valves. Blade pitch can be changed, for instance, to adjust it to wind lift conditions, the entire assembly can be yawed if the wind changes direction, and operation can be detained if safety cannot be guaranteed.

de

C ontrol

El sistema de control de un aerogenerador tiene dos misiones principales y priorizadas. La primera y prioritaria, denominada sistema de supervisión, se encarga de la seguridad de las personas y de la propia turbina. La segunda, denominada sistema de control, busca maximizar las consignas recibidas en cada momento, las cuales pueden ser maximizar potencia, generar reactiva, limitar ruido o sombras, o controlar parámetros de red como tensión o frecuencia. Por último el sistema de control informa y reporta estadísticas de funcionamiento para su operación, vía pantalla táctil o con sistemas remotos de monitorización y control. Los aerogeneradores funcionan de forma automática. Las señales externas que se adquieren con los distintos sensores como anemómetro, veleta, temperaturas y las señales internas con información como las variables eléctricas (voltajes, intensidades, potencias) de los distintos subsistemas, velocidades de giro o presiones hidráulicas son tratadas por el ordenador instalado en el armario de control de la nacelle. En base a los programas y algoritmos de control se generan los comandos que activan motores y válvulas. De esta forma se puede cambiar el ángulo de pala para ajustar la sustentación a las condiciones del viento, se puede orientar todo el conjunto si el viento cambia de dirección, o se puede detener la operación si hay un funcionamiento no seguro.

The two primary purposes of a wind turbine control system can be ranked by priority. The first, the supervisory system, oversees personal safety and the safety of the turbine itself. The second, the monitoring system, ensures operation to the set-points received at any given time, such as capacity maximisation, reactive power generation, noise or shadow limitation or grid voltage or frequency control. The monitoring system also compiles and reports operating statistics on a touch screen or via remote monitoring and control facilities.

Electricity grid parameters are also processed by the wind turbine’s control system to respond to voltage drops or demands for reactive energy. When the wind speed crosses a given threshold, the turbine yaws so the blades face the wind. If the cut-in (or minimum required) speed is reached, the turbine can offset internal losses and begin to rotate. In that case, the blades are positioned to ‘fine pitch’ (maximum lift angle) and the turbine is connected to the grid to begin to deliver electricity. When the wind speed exceeds the variable speed zone and reaches the rated power value, the control system sends signals to pitch the three blades at lower lift angles. As blade pitch control is not speedy enough to control power precisely, 205


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Los parámetros de la red eléctrica también son tratados por el sistema de control del aerogenerador para poder reaccionar ante huecos de tensión o demandas de energía reactiva. Cuando la velocidad del viento supera un umbral, el aerogenerador se orienta para enfrentar las palas al viento incidente. Si la velocidad alcanza un valor mínimo (cut-in), el aerogenerador puede compensar las pérdidas internas y comenzar a girar, para lo que las palas se posicionan con el ángulo de máxima sustentación o fine pitch y se acopla la turbina a la red eléctrica para comenzar a inyectar energía. Una vez que la velocidad del viento supera la zona de velocidad variable y se alcanza la potencia nominal, el sistema de control envía consignas a las tres palas para que avancen hacia ángulos con menor sustentación. El control del ángulo de las palas no es lo suficientemente rápido para conseguir un control preciso de la potencia sino que se tiene que recurrir a los equipos rectificadores-inversores, que en tiempos de milisegundos actúan sobre el par del generador. A velocidad de corte o cut-out, generalmente en torno a 25 m/s, el control del aerogenerador ordena una parada controlada para dejar la turbina en estado de espera hasta que las condiciones del viento le permitan volver a conectarse. Se trata de limitar las cargas de fatiga del aerogenerador y dado que la frecuencia de velocidades de viento por encima de este valor es muy baja, no compensaría económicamente el diseñar un aerogenerador más robusto. En paralelo al sistema de control, se vigilan de forma redundante el funcionamiento del propio ordenador (Watchdog), las vibraciones de la nacelle y torre, la sobrevelocidad del rotor y las sobreintensidades de los equipos de electrónica de potencia. Si cualquiera de estos elementos detecta un fallo, al igual que se haría si alguien pulsa una seta de emergencia, el aerogenerador hace una parada de emergencia por hardware, llevando las palas a posición de seguridad con la energía almacenada dentro del buje y desconectándolo de la red, sin que actúe ningún tipo de control. A nivel de parque eólico existe un segundo sistema de control 206

however, the rectifier-inverters must also be tripped, as they can adjust generator torque in a matter of milliseconds. When the ‘cut-out’ or maximum allowable speed is reached, normally 25 m/s, the turbine’s control system orders a controlled stop and machine idling until wind conditions revert to a velocity at which it is safe to re-connect. This procedure is designed to limit the fatigue loads on the wind turbine. Whilst more robust turbines could be envisaged, since the frequency of wind speeds of over 25 m/s is very low, their construction would not be cost-effective. The control system is reinforced with redundant facilities to monitor the operation of the computer itself (watchdog), along with nacelle and tower vibrations, rotor over-speed and overcurrent in the power electronics equipment. A failure detected by any of these elements has the same consequences as pressing an emergency push-button: the wind turbine hardware effects an emergency stop, positioning the blades at full feather with the energy stored in the hub and disconnecting the machine from the grid with no need for control system involvement. A second, wind farm-scale control system ensures that all the machines in the fleet operate as a single generating element. Many options and features are available depending on the manufacturer and project requirements, although grid integration controls are the core feature in all.


X.I. AEROGENERADORES

que asegura la operación del conjunto de máquinas del parque como un único elemento de generación. Existe multitud de opciones y prestaciones según fabricantes y requerimientos de cada proyecto, aunque las prestaciones básicas son los controles para integración en red.

11. Protecciones contra D escargas E léctricas Los aerogeneradores constituyen estructuras muy elevadas, que se pueden instalar en zonas de alta densidad de impacto de rayos. La normativa de diseño de aerogeneradores presta especial atención a esta protección puesto que el impacto de un rayo puede tener un efecto devastador. En la punta de cada pala se instala un receptor metálico que es el componente que recibe la descarga eléctrica. El número de receptores puede variar colocándose algunos adicionales a cada lado de la pala también en sus últimos metros. Los receptores están unidos a un cable conductor eléctrico que llega hasta la raíz de la pala. En esa zona se coloca una tarjeta magnética que puede llegar a registrar la corriente del rayo. Con los pernos de unión de la pala al rodamiento de pitch, se consigue un camino metálico conductor por el buje, eje principal, rodamientos del eje, soportes, bancada, yaw, torre hasta la cimentación. Este paso de corrientes se favorece con el uso de escobillas, cables trenzados o cables de puesta a tierra. La nacelle de la que sobresalen los sensores atmosféricos (veletaanemómetro) también tiene un tratamiento independiente y para ello los soportes de dichos sensores están equipados con una varilla o aro pararrayos. En la construcción de la cimentación, se incorpora una serie de pletinas metálicas que forman la red de tierras y unas antenas enterradas profundamente en la tierra para conseguir valores de resistividad del terreno inferiores a los diez ohmios por metro.

11. Protection

against

WIND TURBINES

E lectrical Discharge

Wind turbines are very tall structures that may be sited in areas with high lightning strike density. Wind turbine design legislation pays particular attention to protection against such events, for a lightning strike can have devastating effects. The tip of each blade contains a metallic receiver for possible electrical discharges. Additional receivers may also be installed along the outermost metres on either side of the blade. All these elements are connected to an electrical conductor, a cable, that runs to the root of the blade. A magnetic card installed in this area records the lightning intensity. The steel bolts that secure the blade to the pitch control bearing constitute the first stage of a conductor pathway that runs along the hub, main shaft, shaft bearings, supports, main frame, yaw and tower down to the foundations. The effectiveness of this pathway is enhanced with brushes, twisted wire cables or earthing cables. The atmospheric sensors positioned on the outside of the nacelle (wind vane and anemometer) are fitted with separate protection, consisting in a lightning rod or ring. The earthing grid consists in metallic strips built into the foundations, while very deep underground antennas lower soil resistivity values to under 10 ohms per metre.

207


208


X.II. TORRE. COMPONENTES DE LAS TURBINAS Y PARQUES EÓLICOS ACTUALES TOWER. WIND TURBINE COMPONENTS AND TODAY’S WIND FARMS JUAN CARLOS ROSA

La torre es el componente del aerogenerador que sitúa la máquina en la altura de diseño y por el que se da acceso y vía de evacuación al personal desde la cimentación hasta la góndola. A diferencia de otros componentes, la torre se caracteriza porque admite variaciones en su definición según las características o exigencias del emplazamiento. Entre los principales parámetros de ajuste y diseño se encuentran la altura, la forma, los materiales que la constituyen y el sistema de montaje.

1. La A ltura de Buje y el C o E Como se explica en el capítulo 8, la energía disponible en el viento depende directamente del cubo de su velocidad. También sabemos que la velocidad del viento se incrementa con la altura, por lo que es directo intuir que cuanto mayor sea la altura de buje mayor será la producción de energía. Por lo anterior, la altura se convierte en el parámetro básico de diseño de una torre y su elección se fundamenta esencialmente en la búsqueda de la cota de coronación que minimiza el CoE. Si enfrentáramos los pesos de ventajas y desventajas de ganar altura en los platos de una balanza, situaríamos en el lado de las ventajas los siguientes aspectos: –– La producción de energía de un aerogenerador es tanto mayor cuanto mayor es la altura de buje. En emplazamientos caracterizados por velocidades de viento medias (Clases II y III según IEC) pueden conseguirse incrementos de producción de energía de entre el 0.75 y el 1% por cada metro de incremento en la altura, si bien es cierto que la producción tiende a estabilizarse a partir de una determinada altura que depende de las características del emplazamiento y el diámetro del rotor.

The tower is the component in a wind turbine that holds the machinery in position at the design elevation and provides personnel with an access and an evacuation pathway between the nacelle and ground level. Unlike other components, towers may vary in design depending on site characteristics or demands. Height, shape, materials and assembly procedures are the main parameters for adjusting design.

1. H ub H eight

and

CoE

As explained in Chapter 8, available wind energy is directly proportional to its speed cubed. Moreover, as wind speed is known to rise with height, the intuitive conclusion is that energy output is higher at higher hub elevations. For that reason, height is the basic design parameter for towers and its choice is based essentially on the pursuit of the rotor elevation that minimises the cost of energy (CoE). If the advantages of greater height were to be weighed against its drawbacks, the advantages side of the scales would include the following considerations. –– Wind turbine energy output rises with hub height. In sites characterised by medium wind speeds (IEC classes II and III), output rises by 0.75 to 1 % per metre, although production tends to stabilise after a given elevation that depends on site characteristics and rotor diameter. –– Wind speed is steadier and more even at higher elevations, subjecting the machine to lower fatigue loads. A higher rotor elevation can therefore entail savings in the mate209


WITH A FAIR WIND

Altura / Height

CON EL VIENTO A FAVOR

Velocidad del viento / Wind speed Indicador del nivel de turbulencia / Turbulence level indicator

Fig. 1. Distribución de la velocidad y turbulencia del viento dependiendo de la orografía del terreno Fig.1. Dependence of wind speed and turbulence on the type of terrain

–– La velocidad del viento en cotas superiores es más uniforme y regular, y somete a la máquina a menores cargas de fatiga, por lo que un incremento en la cota del rotor puede llevar asociados ahorros de material en el diseño de palas, buje, equipos eléctricos, bastidores de góndola y en el de la propia torre. La importancia de este factor es más importante para rotores de gran diámetro y en aquellos situados en terrenos de orografía abrupta, tal y como puede verse en la figura 1. En el lado opuesto de la balanza estarían los costes que se incrementan con la altura, es decir los aspectos que situaríamos en el lado de las desventajas de subir cota. Estos son fundamentalmente los siguientes: –– Incremento de la cantidad de material de torre por incremento de longitud de la misma. –– Aumento de las cargas en la base y consecuentemente de la cantidad y/o calidad de los materiales en la torre y cimentación. 210

rials of which blades, hub, electrical components, nacelle frames and the tower itself are made. This factor has a greater impact on large diameter towers and structures located on terrains with abrupt protrusions, such as in Figure 1. At the same time, however, costs rise with height. In other words, the factors to be placed on the drawbacks side of raising the elevation include the following. –– Higher towers call for more material. –– The loads on the base are greater, necessitating more or higher quality tower and foundation materials. –– The need for cranes and assembly facilities grows exponentially with height. The choice of tower height and with it rotor diameter is also conditioned by the absolute limits imposed on maximum blade heights by some countries’ aeronautical legislation.

2. W ind Towers

as

S upport Structures

2.1 Structural purpose From the structural standpoint, the primary purpose of the tower is to support the nacelle and rotor and transfer the loads received to the foundations. The tower must bear the weight of the machine as well as its own self-weight, transfer the aerodynamic loads acting on the turbine and resist the cyclical loads generated by the rotation of the rotor and other elements. It must also be able to resist earthquakes and, in offshore wind turbines, the action of the waves. In an idealised and simplified model, tower structure could be likened to a cantilevered beam, a very tall building or a modest jib for hoisting loads. The way a cantilever works is so readily and intuitively under stood that Galileo used it as an example to attempt to illustrate and explain strain on beams bearing loads perpendicular to their axis (Fig. 2).


X.II. TORRE

TOWER

–– Requerimientos de grúas y medios de montaje que crecen exponencialmente con la altura. En la elección de la altura de torre y en combinación con el diámetro del rotor, deben considerarse además límites absolutos relacionados con la altura máxima de la punta de pala en algunos países, y que suelen estar ligados a regulaciones aeronáuticas.

2. Las Torres E ólicas

como

E structuras

de

S oporte

2.1 Misión y funcionamiento estructural Desde el punto de vista de la función estructural, la misión principal de la torre es soportar la góndola y el rotor, y transmitir hasta la cimentación las cargas que reciben. La torre debe sostener el peso de la máquina y el suyo propio, transferir las cargas aerodinámicas recogidas por la turbina y resistir las cargas cíclicas debidas a la rotación del rotor y otros elementos. La torre además debe soportar las acciones derivadas del sismo y, en el caso de aerogeneradores offshore, las provenientes de la acción del oleaje. Si pretendiéramos idealizar y reducir a un modelo sencillo la estructura de la torre podríamos decir que ésta es asimilable a una viga en voladizo, parecida al esquema estructural de un edificio de gran altura o al de un modesto pescante para elevar cargas. El funcionamiento del voladizo es sencillo y fácil de intuir. Tanto es así que fue tomado como ejemplo por Galileo para intentar ilustrar y explicar la deformación de las vigas sometidas a cargas perpendiculares a su eje (fig. 2). 2.2 Cargas estáticas y dinámicas Si bien el funcionamiento básico de la torre como estructura es sencillo, la complejidad de las cargas que lo solicitan hace que el problema de análisis estructural sea algo más entretenido. Para comprender alguna de las dificultades que engendra el diseño de una torre creemos interesante explicar brevemente la naturaleza de las fuerzas que soporta. Las cargas que actúan sobre la torre pueden clasificarse en

Fig.2. Ilustración de una ménsula cargada en su extremo libre según Galileo Fig.2. Galileo’s illustration of a cantilever loaded on its detached end

2.2 Static and dynamic forces Whilst the structural basics of towers are simple, the complexity of the loads borne render their structural analysis rather more involved. The following brief explanation of the nature of such forces is intended to help the reader understand the difficulties encountered in tower design. The loads acting on a tower can be divided into static and dynamic. The dimensions and position of static loads are regarded as constant over time or to vary very slowly. The most immediate example of such loads is the weight of the machine’s fixed components, such as the tower itself, the nacelle and the electrical equipment, excluding the weight of rotating elements such as the blades. In dynamic loads the magnitude or position varies with time. The most significant of the forces borne by the tower, 211


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

estáticas o dinámicas: Las cargas estáticas son aquellas que pueden considerarse constantes en el tiempo en amplitud y posición o cuya variación puede considerarse muy lenta. El ejemplo más claro de este tipo de cargas es el peso de los componentes inmóviles de la máquina, como la propia torre, la góndola y los equipos eléctricos, excluyendo el peso de los elementos en rotación como las palas. Las cargas dinámicas son aquellas cuya magnitud o posición es variable con el tiempo. Son el conjunto de fuerzas más importante que solicitan a la torre y provienen de la acción del viento sobre el rotor y del peso e inercia de los elementos móviles o acelerados, incluyendo la propia góndola y las palas. En el conjunto de cargas dinámicas podemos diferenciar entre las cargas que siguen un patrón aleatorio y aquellas que presentan una variación de amplitud periódica o armónica con el tiempo. –– Cargas dinámicas aleatorias. Son fundamentalmente cargas aerodinámicas y su amplitud promedio depende directamente del área barrida por el rotor y de la velocidad media del viento. La variación en el tiempo de la resultante de estas cargas respecto al valor medio es aleatoria y depende fundamentalmente de la turbulencia, es decir y simplificando, de la desviación estándar de la velocidad del viento. En la figura 3 se representa un ejemplo de este tipo de fuerzas en el que la fuerza F sería el valor medio del empuje del viento sobre la turbina y el diferencial dF la componente turbulenta. –– Cargas dinámicas periódicas. Son cargas dinámicas que presentan una variación periódica en su amplitud o intensidad respecto a un valor medio. Este tipo de cargas suponen un reto para la estructura debido a la posibilidad de que sus efectos sean amplificados cuando se produce un fenómeno conocido como resonancia. Su importancia es tal que puede llegar a dañar fatalmente la torre comprometiendo por tanto la integridad de toda la turbina. Veremos ejemplos de estos tipos de cargas a continuación. 212

these loads are induced by wind action on the rotor and the weight or inertia of mobile or accelerating elements, including the nacelle and blades. A distinction may be drawn between dynamic loads that follow a random pattern and those whose variation is characterised by a periodic or harmonic amplitude over time. –– Random dynamic loads are essentially aerodynamic loads whose mean amplitude depends directly on the area swept by the rotor and the mean wind speed. The resultant of these loads varies randomly from the mean and depends essentially on turbulence or, in simplified terms, on the standard deviation of wind speed. An example of one such force is given in Figure 3, where F would be the mean wind thrust on the turbine and its differential, dF, the turbulence component.

Fig. 3. Distribución instantánea del empuje de viento y descomposición en componente media y turbulenta Fig. 3. Instantaneous wind thrust and decomposition into its mean and turbulent components


X.II. TORRE

2.3 Cargas dinámicas armónicas y el fenómeno de la resonancia Como veremos en este apartado, el análisis de la resonancia es una característica distintiva del diseño de torres para aerogeneradores y en ocasiones es determinante en la definición de la geometría o incluso en la elección del material y la tipología estructural de la torre y la cimentación. Para explicar el fenómeno de resonancia, ilustrar el origen de las cargas armónicas y el efecto que puede tener sobre la estructura de la torre, utilizaremos una analogía sencilla pero a la vez ilustrativa entre un aerogenerador y un columpio. Para empezar hagamos un esfuerzo en visualizarnos subidos a un columpio de los modernos, en los que un gran muelle sustenta un asiento de madera con forma de animal o insecto. En este caso les propongo que piensen en una mariposa con alas y dos antenas a las que agarrarse durante el vaivén (ver figura 4). Sabemos que si queremos que las oscilaciones del columpio sean cada vez mayores debemos darnos impulso con una cadencia determinada, justo en los instantes en los que el columpio cambia el sentido del movimiento, es decir, en la posición extrema del desplazamiento. De este modo, con pequeños impulsos separados un mismo periodo de tiempo T, somos capaces de hacer oscilar el balancín hasta alcanzar una gran amplitud y velocidad. Seremos capaces de amplificar el desplazamiento que conseguimos con un único impulso aislado, incluso hasta el límite de estirar peligrosamente el muelle que, dicho sea de paso, no está preparado para soportar el vaivén de un adulto de 80 kg. Este fenómeno de amplificación que se conoce como resonancia, se explica por la acumulación de energía en un sistema en oscilación y puede darse porque la aportación de la citada energía se hace con una frecuencia característica o especial del sistema muelle-masa que es conocida como frecuencia propia o natural de la estructura. Ahora imaginemos mucho más, imaginemos que fuéramos lo suficientemente atrevidos, grandes y pesados como para subir a la parte más alta de una góndola, como si de un gran columpio

TOWER

–– Periodic dynamic loads are dynamic loads that vary periodically in amplitude or intensity with respect to the mean. This type of loads constitute a challenge for the structure insofar as their effects may be amplified when resonance occurs. That phenomenon has crucial implications, for it may damage the tower to the point of compromising wind turbine integrity. A few examples of these loads are shown in Figure 3.

2.3 Harmonic dynamic loads and resonance As discussed in this section, resonance analysis is a distinctive characteristic of wind tower design and may at times be a determinant in defining their geometry or even choosing tower and foundation materials and structural typology. A simple analogy between a wind turbine and a spring rocker may explain resonance and illustrate its effect on tower structure. Imagine, for instance, one such playground device consisting in a wooden animal- or insect-shaped seat atop a strong spring. Assume a butterfly with wings, for instance, and two antennas for the rider to hold onto (see Figure 4). To amplify the oscillations, the rider must exert force just as the direction of the motion changes, i.e., when the front of the butterfly is at its lowest or highest point. When propelled with small forces separated by the same time interval T, the rocker can be made to travel at high speed over a wide amplitude. The distance travelled can be amplified with a single separate boost that might even hazardously stretch the spring (which, by the way, is not designed to bear the rocking movement induced by an 80-kg adult). This amplification, known as resonance, is due to the energy accumulating in an oscillating system and can occur when the frequency of the energy supplied is the same as a characteristic frequency known as the natural frequency of the spring-mass system. Now imagine someone brave, large and heavy enough to climb to the top of a nacelle as if it were a huge spring rocker, who, 213


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

se tratara y que, cogidos a las palas como quien coge las antenas de la mariposa, hiciéramos mover con nuestro impulso el aerogenerador hacia delante y hacia atrás, rítmicamente, del mismo modo como lo hacíamos en el balancín infantil, acoplando con precisión nuestra cadencia de impulso a la frecuencia propia del conjunto torre-góndola. Podemos visualizar la torre como el muelle del columpio y como, debido al fenómeno de resonancia, la estructura puede llegar a caer si mantenemos nuestro balanceo indefinidamente. La aparición de fuerzas armónicas, equivalentes a nuestro balanceo sobre la góndola, es intrínseca a los aerogeneradores y en combinación con la flexibilidad de la propia torre pueden llegar a provocar el fenómeno de resonancia. Las principales fuerzas periódicas que actúan sobre la torre están asociadas fundamentalmente a los siguientes fenómenos: –– Desplazamiento del centro de gravedad del rotor respecto al eje de giro debido a la diferencia de peso entre palas. La excentricidad entre masa en rotación y eje de giro produce una fuerza centrífuga de dirección variable cuyo periodo es igual al periodo de rotación del rotor y que en el argot eólico se conoce como frecuencia F=1P (pronunciada como “uno p”) –– Influencia de la torre sobre la velocidad de viento en sus proximidades. Este fenómeno es conocido como efecto presa de la torre en turbinas upwind y efecto sombra en turbinas downwind. Como resultado de la coincidencia en la misma vertical de una pala y la torre, se produce una disminución de fuerza total de viento sobre esa pala que desequilibra momentáneamente las fuerzas actuantes en el conjunto del rotor. Este pulso se produce con una cadencia igual a n veces la cadencia de giro del rotor, donde n es el número de palas y su frecuencia es, por lo tanto, F=n·P. En el caso de aerogeneradores de 2 o 3 palas esta frecuencia es conocida como “dos p” o “tres p” respectivamente. –– Asimetría de las cargas aerodinámicas sobre el plano del rotor (wind-shear) que da como resultado una fuerza variable 214

Fig. 4. Analogía estructural entre un columpio tipo balancín y un aerogenerador Fig. 4. Structural analogy between a spring rocker and a wind turbine

grabbing the blades the way a child would grab the antennas of the butterfly in the example, makes it roll back and forth rhythmically, again like a child on a rocker, timing each impulse to precisely match the natural frequency of the tower-nacelle assembly. The tower can be likened to the spring on the rocker and, like it, may collapse due to resonance if rolling is kept up indefinitely. The appearance of harmonic forces, equivalent to nacelle rocking, is intrinsic in wind turbines and, in conjunction with tower flexibility, may induce resonance. The major periodic forces acting on the tower are associated primarily with the following factors. –– The rotor’s centre of gravity may shift relative to the rotation axis due to differences in blade weights. Eccentricity between the rotating mass and the rotation axis generates a centrifugal force with a variable direction whose period is equal to the period of rotor rotation, known in wind jargon as 1P frequency. –– The tower affects wind speed in the environs. This is known as the dam effect in upwind turbines and the shadow effect


X.II. TORRE

del viento sobre cada una de las palas, cuya magnitud es dependiente de la posición angular del rotor. La diferencia de fuerzas entre las palas se traduce en una carga de flexión en la cabeza de la estructura cuya frecuencia F es igual a la frecuencia de paso de pala frente a la torre, es decir, otra vez F = n·P. –– Las diferencias del ángulo de orientación al viento entre las diferentes palas, debidas a errores en el montaje o en el sistema automático de orientación, también dan lugar flexiones en la torre de frecuencia F=1·P. –– Acción del oleaje sobre la subestructura o cimentación en turbinas offshore que puede considerarse como una superposición de cargas armónicas de diferente periodo que contiene gran cantidad de energía en las frecuencias habituales del conjunto torre-cimentación. A la luz de lo explicado en este apartado, es decir, como consecuencia de la combinación de cargas armónicas y comportamiento pendular de la torre, es evidente que el diseño de un aerogenerador requiere de un análisis específico de sensibilidad de la torre frente al fenómeno de resonancia. Este análisis se realiza comparando, por un lado las características dinámicas de la estructura, es decir sus frecuencias propias, y por otro las frecuencias esperables de las fuerzas o cargas actuantes. En turbinas de velocidad variable, la herramienta básica y generalizada con la que suele hacerse este análisis se conoce como diagrama de Campbell (ver figura 5). En este diagrama se representan por un lado las frecuencias de las cargas actuantes (eje vertical) en función de la velocidad de rotación del rotor (eje horizontal) y por el otro las frecuencias propias de la estructura. Las frecuencias de la torre son generalmente invariantes con la velocidad del rotor y por tanto se representan en el diagrama con una línea horizontal a la altura del eje vertical coincidente con el valor de la frecuencia natural. Como se ha explicado más arriba, las frecuencias de las princi-

TOWER

in downwind machines. When a blade and a tower concur in the same vertical plane, the total wind force on the blade declines, momentarily throwing the forces acting on the rotor as a whole out of balance. This pulse is generated at a frequency equal to n times the rotation frequency of the rotor, where n is the number of blades; its frequency is consequently F=n·P. In wind turbines with two or three blades, this frequency is known as ‘two p’ or ‘three p’, respectively. –– The aerodynamic loads on the plane of the rotor (wind shear) are asymmetrical, resulting in a variable force on each of the blades of a magnitude that depends on the rotor pitch. The difference in force on the blades translates into a bending load on the head of the structure whose frequency F is equal to the frequency at which the blade passes the tower, i.e., F=nP. –– Differences in blade pitch due to assembly errors or the automatic pitch system may also induce bending forces on the tower whose frequency is F=1P. –– Lastly, wave action on the foundations in offshore turbines may be regarded as very high energy harmonic loads of different periods that overlap with normal tower-foundation frequencies. As may be inferred from the foregoing, as a result of the combination of harmonic loads and tower swaying, wind turbine design calls for specific analysis of tower sensitivity to resonance. In such analyses the dynamic characteristics of the structure, i.e., its natural frequencies, are compared to the frequencies expected to be induced by the respective forces or loads. In variable speed turbines, the basic and most widely used tool for this analysis is known as the Campbell diagram (see Fig. 5). This diagram plots the load frequencies (vertical axis) against the angular velocity of the rotor (horizontal axis) and the natural frequencies of the structure. 215


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WITH A FAIR WIND

pales cargas armónicas que actúan sobre la torre dependen de la velocidad de rotación de la máquina, fundamentalmente de los múltiples 1P y n·P, donde n = número de palas del aerogenerador y P es la frecuencia de giro del rotor. Por lo tanto, las variaciones de frecuencia de las cargas armónicas con la velocidad de giro del rotor se representan en el diagrama de Campbell por dos rectas etiquetadas como 1P y P. Simplificando, puede considerarse que la estructura no entrará en resonancia si la línea horizontal que representa la frecuencia de la torre, no se corta con las líneas que representan la frecuencia de las cargas armónicas en el rango de las velocidades de operación, definido entre la velocidad mínima (vmin) y máxima (vmax) de rotación, y que se han representado como líneas verticales en el diagrama. En este caso, las frecuencias permitidas para el conjunto torre-máquina se sitúan en las bandas marcadas en color gris que corresponden a las áreas rectangulares del diagrama que no son cruzadas por ninguna de las rectas de las fuerzas excitantes. Esta limitación supone un reto importante en el rango de torres de media y gran altura en las que este requerimiento puede condicionar el diseño de forma más restrictiva incluso que aquellos derivados de la resistencia estructural. En relación a su ubicación en el diagrama de Campbell, las torres se clasifican en soft-soft (flexible-flexible), soft-stiff (flexiblerígida) o stiff (rígida) según su frecuencia se encuentre en las zonas representadas en gris de la figura anterior. Si bien las torres de los primeros aerogeneradores solían ser muy robustas y evitaban a toda costa cruzar las linea 3P, situándose en la categoría stiff, rápidamente se optó por el situarlas en el rango soft-stiff por motivos de economía de materiales, haciendo que el cruce con la recta 3P durante el arranque de la turbina se produzca de forma rápida y controlada. Para torres muy altas, por encima de los 120 m, en un buen número de ocasiones se plantean soluciones soft-soft, que requieren un sistema de control del paso por la rectas 1P y 3P más complejo, evitándose así ciertas frecuencias de excitación “prohibidas”.

216

Fig. 5. Diagrama de Campbell. Representación de los rangos admisibles de frecuencia de una torre eólica y de las fuerzas armónicas excitantes provenientes del rotor Fig. 5. Campbell diagram: rotor-induced harmonic and excitation forces and range of allowable frequencies for a wind tower

As tower frequencies are generally unaltered with rotor speed, they are shown on the diagram as a horizontal line at the height on the vertical axis that concurs with the natural frequency. As explained earlier, the frequencies of the main harmonic loads acting on the tower depend on the machine’s rotating speed, and primarily on 1P and nP where n = number of wind turbine blades and P is the rotational frequency of the rotor. Consequently, the variations in harmonic load frequency with the angular velocity of the rotor are represented on the Campbell diagram as two straight lines labelled 1P and nP. The vertical lines in the diagram delimit the operating speed range, the interval between the minimum (Vmin) and maximum (Vmax) rotational speeds. In simplified terms, the structure can be assumed to be non-resonating when the horizontal line


X.II. TORRE

2.4 Importancia de la fatiga Más allá del fenómeno de resonancia, la naturaleza oscilante de las cargas de un aerogenerador da lugar a que la mayoría de sus componentes deba ser evaluado frente al efecto de la fatiga. La fatiga es un fenómeno que ocurre en la mayoría de materiales en los que la acumulación de ciclos de carga y descarga, es decir el número de variaciones de tensión que soporta, puede conducir a romperlo, incluso en el caso de que los ciclos produzcan picos de tensión muy por debajo de la tensión de rotura que se obtiene en el ensayo de carga estática. En el caso de la torre el diseño suele orientarse hacia la minimización de sus efectos, cuidando los detalles de las zonas más sensibles a este fenómeno como pueden ser las soldaduras y las partes en las que se dan concentraciones de esfuerzos elevadas como, por ejemplo, las aberturas u orificios en las paredes de la torre, tales la puerta o los pasos de conductos.

2.5 Restricciones debidas a la flexibilidad de las palas. Blade tip clearance Un condicionante determinante en el diseño de la torre es la distancia entre la propia torre y la punta de pala. Este parámetro determina el diámetro máximo de la torre a la altura en la que la punta de pala está más baja y en ocasiones da lugar a un estrechamiento en esa zona frente a lo que sería óptimo desde un punto de vista estructural. 2.6 Comportamiento sísmico y ductilidad Las torres eólicas, como no puede ser de otra manera, también deben estar preparadas para resistir la acción sísmica en aquellas zonas de la tierra en la que la misma resulta significativa. Por desgracia para ellas, además, algunas de las zonas de la tierra que cuentan con un mejor recurso eólico, cuentan a la vez con unas aceleraciones sísmicas –unidas a unas condiciones geotécnicas del suelo que incluso las amplifican– muy importantes. Es el caso claro, por ejemplo, de la zona del Istmo de Tehuantepec, al Sur de México.

TOWER

that represents the tower frequency is not intersected by the lines representing the frequency of the harmonic loads in that range. In this case, the allowable frequencies for the towermachine assembly are located in rectangular areas shaded in grey and not intersected by any of the lines representing the excitation forces. This limitation is a significant challenge in the medium-to-very tall tower range, where the design constraints stemming from this requirement may be more restrictive than structural strength considerations. Depending on where, i.e., in which of the grey bands, their frequencies lie on the Campbell diagram, towers are classified as soft-soft, soft-stiff or stiff. Whilst the earliest wind turbine towers tended to be very robust and eluded crossing the 3P line at all costs so as to remain in the stiff category, the following generations were designed to lie in the soft-stiff range. The aim was to save on materials while nonetheless ensuring speedy and controlled intersection with the 3P line during turbine start-up. The soft-soft solutions often deployed for very tall (over 120 m) towers call for more complex control of the intersection with lines 1P and 3P to prevent certain ‘forbidden’ excitation frequencies.

2.4 Fatigue and its implications Irrespective of the resonance problem, given the oscillating nature of the loads borne by a wind turbine, most of its components must be assessed for fatigue. Fatigue occurs in most materials exposed to cyclical loading and unloading, i.e., constant variations in the stress borne. These conditions may cause failure even where the stress peaks induced by the cycles are much lower than the test load-verified ultimate strength of the element. Towers are generally designed to minimise the effects of fatigue, with particular attention to detailing in the most sensitive areas, including welds and components where high stress concentrates, such as openings for doors or holes for ductways. 217


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Sin embargo, a diferencia de otras estructuras, las torres de acero –posteriormente, hablaremos de los distintos materiales que pueden conformar estos elementos, pero de momento quedémonos con que este tipo de torres constituyen la enorme mayoría de las actualmente instaladas y en instalación en el mundo– apenas pueden contar con el arma fundamental, y deseable, con la que todas las estructuras cuentan para resistir los efectos sísmicos: la ductilidad, o capacidad de un material de experimentar deformaciones plásticas, siendo capaz de disipar así una gran cantidad de la energía introducida por el sismo, sin llegar a romper. ¿Y por qué esto es así? ¿Por qué no se utiliza el recurso que ya desde hace tiempo se ha demostrado como más eficaz? La respuesta es sencilla: economía de costes de acuerdo a las características de la industria de las torres eólicas de acero. En efecto, el ajustado precio del acero al que hoy en día se ha llegado en las torres eólicas –basta decir que el kg de acero en torre eólica cuesta aproximadamente unas 3 veces menos que el kg del mismo tipo de acero en, por ejemplo, un puente– ha sido alcanzado a través de la reducción hasta el máximo exponente de la mano de obra, contándose con tubos formados a base de chapas curvadas, y soldadura automatizada en fábricas altamente especializadas. La ausencia de rigidización interior, con el objeto de limitar la mano de obra que la misma requiere, hace que las secciones que conforman una torre eólica sean secciones tremendamente esbeltas –con relaciones entre sus dimensiones y su espesor enormes– cuyos modos de fallo vienen regidos por fenómenos de inestablidad, a tensiones de trabajo inferiores a su límite elástico, es decir antes de que se produzca la primera plastificación del material. Estos fenómenos de inestabilidad o abolladura son de todo menos dúctiles, llevando a roturas súbitas y enormemente frágiles que no disipan apenas energía, ni avisan de manera previa, debiéndose por tanto diseñar estas estructuras sin poder aprovechar este fantástico recurso que el acero, como material estructural, tiene en su seno. Esta realidad al día de hoy constituye una excepcionalidad y rareza –y un cierto 218

Fig. 6. Requerimientos geométricos debidos a la deformación de la pala Fig. 6. Geometrical requirements imposed by blade deformation

2.5 Constraints owing to blade flexibility. Blade tip clearance Another conditioning factor in tower design is the distance between the tower and the blade tip. This parameter determines the maximum tower diameter at the lowest blade tip height, giving rise on occasion to a narrower dimension in this area than would be structurally optimal. 2.6 Seismic behaviour and ductility Wind towers must logically also be designed to withstand seismic action in areas of the world where such forces may be


X.II. TORRE

TOWER

contrasentido, si no se conocen bien las implicaciones de este fenómeno– dentro del mundo estructural, y teniendo en cuenta las aplicaciones directas a modo de receta que en ocasiones se hace de la normativa sísmica, puede llegar a ser peligroso. Por el contrario, se da la paradoja que torres fabricadas con un material teóricamente menos dúctil que el acero, como es el hormigón –y lo que aún es más, que la ductilidad que posee le viene dada por las barras de acero que aloja en su interior– sí pueden aprovechar esta característica, no siendo necesario su refuerzo con respecto a torres estrictamente no sísmicas hasta superarse valores muy altos de las aceleraciones inducidas por el sismo.

significant. Unfortunately for them, some of the areas of the planet with the best wind resource, such as the Tehuantepec Isthmus in southern Mexico, are also characterised by very significant seismic acceleration, amplified by the geotechnical conditions of the soil.

3. Tipos de Torres E ólicas En la actualidad la construcción de torres para aerogeneradores se realiza fundamentalmente en acero, en hormigón o combinando estos dos en soluciones híbridas. Esta dualidad, que en la práctica excluye a materiales alternativos, se explica debido a la economía, a la disponibilidad universal en calidades estandarizadas y al maduro desarrollo tecnológico de estos dos materiales. Las características particulares de uno y otro material dan lugar a las diferentes posibilidades estructurales, alternativas de fabricación, transporte o montaje que veremos a continuación.

Why? Why not use the resource that has proven to be most effective over the years? The answer is simple: the cost structures that characterise the steel wind tower industry.

3.1 Torres de acero y su límite económico conforme aumenta la altura El acero ha sido y es el material más utilizado en la construcción de torres eólicas. Entre sus propiedades mecánicas destaca la elevada relación entre resistencia y masa que da lugar a estructuras ligeras y de gran capacidad resistente. Entre las torres de acero destacan fundamentalmente tres tipologías: –– Tubulares. En este caso la torre se construye por yuxtaposición de tramos metálicos, generalmente de sección variable. Cada tramo está formado por una sucesión de

Nonetheless, unlike other structures, steel towers (a later section discusses the types of materials that can be used, but be it said for now that this is the most widespread type of tower the world over) lack an essential and desirable feature for resisting the effect of earthquakes: ductility. This is defined as the capacity of a material to undergo plastic strain, thereby dissipating much of the energy generated by a quake without breaking.

The low price of the steel prevailing today in wind towers (for which the material costs approximately three times less than the same type of steel used in bridges, for instance) has been attained by reducing labour to a minimum. The tubes used consist of curved sheet steel robotically welded in highly specialised factories. As wind tower modules are not stiffened on the interior to elude the labour that would entail, they are tremendously slender, with huge size-to-thickness ratios. Failure is therefore governed by instability and takes place at working stresses under the material’s yield stress, i.e., at values lower than required for its plastification. Instability and denting, which are anything but ductile, induce sudden and enormously brittle failure characterised by scantly any energy dissipation and no prior warning signs. These structures must, then, be designed without capitalising on that splendid and intrinsic feature (ductility) of structural steel. This circumstance, both exceptional and rare in today’s structural world (as well as contradictory, if the implications of the phenomenon are not well understood), may even induce hazardous outcomes if seismic legislation is applied unreflectingly, as is sometimes the case. 219


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chapas curvas que se sueldan entre sí y cuyo diámetro y espesor varía progresivamente con la altura. Esta progresividad en grosor de chapa y geometría permite dar a la estructura una capacidad resistente lo más ajustada posible a las exigencias estructurales en cada posición. La combinación entre ligereza y monolitismo de las torres tubulares de acero son dos ventajas decisivas en el rango de torres de altura moderada ya que, debido a su menor peso y menor número de elementos frente a la solución equivalente en hormigón o las celosías, la torre de acero es más fácil de manipular, transportar, almacenar y montar. En la actualidad es la tipología más frecuente para máquinas de media y gran potencia en el segmento de torres de alturas hasta 80-90 m.

In paradoxical contrast, towers made with a theoretically less ductile material than steel, namely concrete (which owes its ductility to the steel reinforcing bars housed in its interior), can capitalise on that characteristic, and need not be strengthened more than strictly 'non-seismic’ towers except where quakeinduced acceleration is expected to exceed very high values.

–– Celosías. Se configuran a partir del ensamblaje de vigas de acero de corta longitud de manera similar a una de las más famosas torres de la historia: la Torre Eiffel de París. Fueron utilizadas profusamente en las primeras turbinas comerciales hasta mediados de la década de los 80; sin embargo en la actualidad no son de uso común, fundamentalmente debido a su elevado coste en tiempo de montaje y a los altos requerimientos en términos de inspección y mantenimiento de sus numerosas uniones entre elementos. Existe, en todo caso, al menos un tecnólogo muy importante que en la actualidad está intentando revivir esta tipología de torre para grandes alturas.

The specific characteristics of the two materials give rise to differences in structural possibilities, manufacturing alternatives, transport and assembly, as discussed below.

–– Atirantadas. Este tipo de torre está compuesta esencialmente por en un fuste o mástil principal que soporta la máquina y que, por debajo de la altura de punta de pala, se rigidiza con un sistema de tirantes estabilizadores tensados y anclados al terreno. En este tipo de torre se reducen las dimensiones de la cimentación a costa de ocupar más espacio. Esta tipología fue introducida desde los primeros pasos de la industria, pero no ha tenido continuidad en su desarrollo y actualmente su uso se limita a pequeñas turbinas de autoabastecimiento. 220

3. Types

of

W ind Towers

Today’s wind towers are made essentially of steel, concrete or a combination of the two. The reasons for the prevalence of these two materials to the exclusion of other alternatives lie in economy, their universal availability to the necessary standard quality and the maturity of their technological development.

3.1 Steel towers and their height-related economic limits Steel has been and continues to be the material most commonly used in wind towers. One of its most outstanding mechanical properties is its high strength-to-mass ratio, which yields lightweight structures with large bearing capacities. Three types of steel towers can be distinguished. –– Tubular towers are built by joining steel modules, normally with variable sections. Each module consists in a series of welded curved sheet steel units with diameters and thicknesses that taper with height. By tapering material thickness and geometry, the bearing capacity of the structure can be made to match the structural demands at each position very closely. The combination of levity and monolithic behaviour are two distinct advantages for towers in the moderate height range, where lighter weight and a smaller number of elements than needed for equivalent concrete or lattice solutions make tubular towers easier to handle, ship, store and assemble. Tubular design is presently the


X.II. TORRE

Una de las limitaciones principales de la torre de acero tubular es el diámetro máximo transportable por carretera que, debido a las restricciones de gálibo, está limitado a unos 4.5 m en la mayoría de países. Por este motivo la torre metálica es menos competitiva a partir de los 100 metros de altura ya que debido la existencia de un diámetro máximo en la base se requieren grandes espesores de chapa para resistir las cargas. Además, esta limitación geométrica hace que en ocasiones sea muy difícil y caro ajustar la frecuencia de la torre dentro de los rangos admisibles del aerogenerador.

3.2 Torres de hormigón El desarrollo tecnológico de torres de hormigón se puede considerar como reciente, ya que hasta los primeros años de este siglo no fue utilizado en turbinas de gran potencia. Sin embargo, las interesantes características que se revelan más adelante han impulsado enormemente su implantación, siendo actualmente, quizás, el material preferido en la construcción de torres de gran altura. Como material estructural, el hormigón posee una elevada capacidad a compresión pero apenas resiste fuerzas de tracción, por lo que resulta necesario emplear materiales adicionales –barras de acero embebidas en el mismo, generalmente– que resistan este tipo de fuerzas. Adicionalmente, la necesidad –discutible hasta cierto punto, por otra parte– de mantener las secciones de torre completamente comprimidas para un determinado nivel de cargas, exige un sistema de cables de acero de pretensar que precompriman la torre, evitándose así la aparición de fisuras. Desde un punto de vista estructural, frente a la diversidad en los esquemas resistentes de las torres de acero, la forma habitual de la torre de hormigón es la tubular de sección variable. Frente a la solución análoga en acero, la torre de hormigón resulta una estructura de mayor peso total, quizás del orden de 3 a 4 veces más, pero de menor coste de fabricación, además de ser este material poco susceptible a fluctuaciones temporales en su precio que, de manera general, se mantiene muy constante.

TOWER

most popular typology for medium and large capacity machines installed in towers up to 80-90 m tall. –– Lattice towers are built by assembling short steel beams in much the same way as found in one of history’s most famous structures: the Eiffel Tower at Paris. They were used profusely through the mid nineteen eighties in the earliest commercial towers. Today, however, they are uncommon due primarily to the lengthy assembly times involved and strict inspection and maintenance requirements for their many inter-element connections. Nonetheless, at least one major technology supplier is attempting to revive this typology for very tall towers. –– Cable-stayed towers consist essentially in a main shaft or mast that supports the machine and which, from the blade tip height down, is stiffened with tensed cables anchored to the ground. Although the foundation dimensions are smaller in such towers, more above-grade space is needed. These structures were introduced in the earliest stages of the industry, but as their development failed to progress, today their use is confined to small turbines for self-supply. One of the major constraints on the use of tubular steel towers is that, given road clearance restrictions, the maximum lorryshippable diameter is around 4.5 m in most countries. For that reason steel is less competitive for towers 100 metres tall or taller, for with that maximum base diameter, very thick sheet steel is required to bear the loads. Moreover, this geometric constraint may also make it very difficult and expensive to contain tower frequency within the turbine’s allowable ranges.

3.2 Concrete towers Concrete towers can be regarded as a fairly recent development, for they were not used in large capacity turbines until early in this century. That notwithstanding, the advantages discussed below have driven their deployment enormously, making concrete, perhaps, the material of choice for building very tall towers. 221


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A pesar de su menor coste, la utilización del hormigón en soportes para aerogeneradores no se extendió hasta la llegada de los primeros sistemas de torre de hormigón prefabricada. La fabricación de la torre de hormigón en plantas especializadas permitió dar un salto decisivo situando a las torres de hormigón en el camino de la industrialización y resolviendo de paso uno de los escollos de la construcción in situ: los largos plazos no compatibles con el sector. La ventaja más destacada de la torre de hormigón prefabricada es la divisibilidad de los tramos en dovelas frente al monolitismo de los tramos metálicos. La posibilidad de dividir los tramos de hormigón en subtramos o dovelas y de unirlos con medios sencillos en la posición definitiva, resuelve el problema del transporte por carretera de las torres metálicas de gran diámetro y convierte a la torre de hormigón en la mejor alternativa para torres de gran altura. Una particularidad importante de la solución de torre de hormigón es el moderado coste de implantación de las instalaciones de fabricación, sobre todo si lo comparamos con la inversión necesaria para la fabricación de torres de acero. Esta característica elimina la dependencia de un número limitado de proveedores de torres, habilita la producción en las inmediaciones del parque, reduce los costes de transporte y fomenta el desarrollo socioeconómico de la región mediante la creación de puestos de trabajo y la dinamización de la economía local.

3.3 Otras opciones. La combinación de materiales Como solución alternativa a las torres de acero y a las de hormigón, se encuentra destacada la torre hibrida, que combina la torre de hormigón en los tramos inferiores y la torre metálica en la parte superior, empleando mayoritariamente la estructura tubular. Esta combinación se beneficia de los puntos fuertes de cada sistema: grandes diámetros en la base y elementos ligeros la parte alta de la torre y tiene, por tanto, un rango de alturas en las que resulta competitiva, precisando a cambio la utilización de distintos proveedores para la torre y contar con una conexión de cierta complejidad en altura. 222

As a structural material, concrete has high compressive but very low tensile strength. Steel bars must therefore be embedded in it to withstand tensile stress. Moreover, the (perhaps questionable) need to maintain tower modules wholly compressed to a given load level calls for a system of steel cables to prestress the tower with a view to preventing the appearance of cracks. Structurally speaking, in contrast to the variety of options available in steel towers, concrete towers are usuallyof one type only: tubular with a variable section. They are on the order of three- to four-fold heavier overall than the analogous steel solution, although their manufacturing cost is much lower. This material is also less prone to price fluctuations, with costs remaining essentially constant over time. Despite this economic advantage, concrete only came of age as a support for wind turbines with the advent of the earliest precast concrete tower systems. Concrete tower fabrication at specialised plants drove a decisive leap forward in concrete tower industrialisation, thereby solving one of the drawbacks of in-situ construction: the long turnaround times that are incompatible with the wind industry. The most prominent advantage of precast concrete towers is that their modules can be divided into segments or units, in contrast to the monolithic nature of steel modules. This subdivision of concrete modules into sub-modules or segments that can be readily interconnected and secured into their permanent position solves the problem of road transport to which large diameter steel towers are subject, making concrete the most suitable option for very tall towers. Another significant feature of the concrete tower solution is the moderate cost of building precasting plants, particularly in comparison to the investment required to manufacture steel towers. That characteristic eliminates the dependence on a short number of tower suppliers, furthers production at sites near the farm (thereby lowering transport costs), and drives social and economic development in the area by creating jobs and spurring the local economy.


X.II. TORRE

4. La Torre Tubular M odular como S istema C onstructivo E stándar en la I ndustria E ólica En la actualidad, en el caso de turbinas comerciales de tamaño medio y grande, las torres de acero y de hormigón se conforman a partir del ensamblaje de subelementos de menores dimensiones que hacen posible su fabricación en plantas industrializadas, permiten el transporte por carretera y también el montaje en posición definitiva con medios relativamente económicos. Esta segmentación convierte a la torre en modular y permite, salvo raras excepciones, reducir los costes globales respecto a los de la construcción in situ. Las torres modulares suelen dividirse en tramos y éstos, si resulta de interés práctico, subdividirse en dovelas.

4.1 Tramos El tramo es el elemento primario del que se componen las torres modulares y sus parámetros fundamentales de diseño son su longitud y diámetro. Sus dimensiones y pesos máximos se definen en función de las restricciones impuestas por las instalaciones de fabricación, la transportabilidad y la racionalización de los medios de montaje. De nuevo, como en la elección de la altura de torre, debe hacerse un ejercicio de análisis coste-beneficio para encontrar una distribución óptima de longitudes de tramo en el que se equilibra por un lado la minimización del número de operaciones de montaje y por el otro la minimización en términos de exigencia de capacidad de los medios de manipulación, transporte y montaje. Habitualmente el transporte por carretera suele fijar las dimensiones máximas de los tramos en altura máxima de pieza transportable, debido a los requerimientos de gálibo en el paso bajo puentes, túneles u otros elementos viarios. Tal como se apuntaba cuando hablábamos de las limitaciones de la torre de acero, las piezas transportadas por carretera suelen tener como máximo una altura de 4.30 a 4.50 metros de manera que éste suele ser el valor del diámetro máximo habitual en torres de sección circular no divididas en segmentos.

TOWER

3.3 Other options. Combining materials One prominent alternative to steel and concrete towers is the (predominantly tubular) hybrid tower, with concrete lower and steel upper modules. This combination benefits from the strengths of both systems: large diameters at the base and lightweight elements at the upper elevations. The range of heights is likewise competitive, although this system involves depending on more than one tower supplier and calls for fairly complex operations at considerable heights to connect the two materials. 4. The M odular Tubular Tower as I ndustry C onstruction S ystem

a

Standard W ind

The steel and concrete towers presently used for medium and large commercial turbines consist in a series of smaller subelements that can be manufactured in industrialised plants, transported by road and assembled into their permanent position relatively inexpensively. With rare exceptions, this modulation entails lower overall costs than incurred in on-site construction. Modular towers are divided into sections which, where necessary for practical purposes, are subdivided into segments.

4.1 Sections The primary design parameters for sections, the basic elements in modular tower construction, are their length and diameter. Their size and weight are defined in keeping with the constraints imposed by manufacturing facilities, shippability and the rationalisation of assembly facilities. As in the choice of tower height, a cost effectiveness study must be conducted to determine the optimal distribution of section lengths, striking a balance between the minimisation of assembly operations and maximum handling, shipping and assembly resource capacity. Road transport constraints such as bridge, tunnel or similar clearances are normally what limit the maximum size (height) 223


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4.2 Dovelas La dovela introduce un grado de libertad adicional en la configuración, el transporte, la manipulación y el montaje de las torres, multiplicando las opciones de diseño y la versatilidad constructiva de las soluciones modulares más simples. La subdivisión de los tramos en dovelas permite relajar las restricciones de transporte tanto en ancho, como en alto como en peso máximo, venciendo las habituales limitaciones del parámetro fundamental del diseño resistente de una torre: el diámetro en la base. Esta subdivisión ha permitido el desarrollo de las torres altas, y ha supuesto el impulso definitivo de las torres prefabricadas de hormigón frente a las soluciones clásicas de tubo metálico completo gracias a la ventaja competitiva que suponen los nuevos los tramos de gran diámetro conformados por dovelas transportables por carretera. 4.3 Uniones e interfaces La torre, elemento intermedio de transferencia de cargas, personas y materiales, comparte interfaces con góndola y cimentación. En el contacto con estos componentes debe asegurarse continuidad en los siguientes aspectos: –– Continuidad a nivel estructural. Se materializa mediante una unión mecánica que garantiza la transmisión de cargas de góndola a torre y de torre a cimentación así como entre los tramos o dovelas de la propia torre. La definición de la unión depende de la tipología y material de la torre, siendo común la unión mediante bridas en torre metálica o la unión mediante una pieza de transición metálica en las torres de hormigón. En las torres de hormigón, las uniones entre dovelas y entre tramos suele realizarse mediante hormigonado in situ de las juntas o mediante cables o barras de acero que cosen los elementos aplicando una fuerza de compresión a lado y lado de la junta. –– Continuidad a nivel de paso de personas. Como ejemplo de esta interfaz encontramos la puerta que, en la base de la torre, sirve como elemento de conexión y acceso entre la 224

of each shippable element. As noted in the discussion on steel tower limitations, elements transported by road are normally no more than 4.30 to 4.50 m high. That, then, is usually the maximum diameter of circular section towers not divided into segments.

4.2 Segments or units Segments bring an additional degree of freedom to tower configuration, transport, handling and assembly, improving on the design options and construction versatility of simpler modular solutions. When modules are subdivided into segments, width, height and weight shipping constraints can be more readily accommodated, eliminating the normal restrictions on the essential structural design parameter in towers: the diameter of the base. The competitive edge inherent in the subdivision of large diameter modules into road-shippable segments has fuelled the development of tall towers and ultimately driven the use of precast concrete rather than conventional all-steel tube solutions. 4.3 Connections and interfaces The tower, the intermediate member in the transfer of loads, people and materials, shares interfaces with the nacelle and the foundations. Contact with these components must ensure continuity in a number of respects. –– Structural continuity is attained by mechanical connections that guarantee load transfer from the nacelle to the tower and from the latter to the foundation, as well as between tower sections or segments. The nature of these connections depends on tower type and material: flanges are ordinarily used in steel towers and continuing or transition steel in concrete towers. In the latter, segments and sections are normally inter-connected with cast-in-place concrete joints or stitching cables or bars with the application of side-to-side compression at the joint.


X.II. TORRE

máquina y el exterior y se diseña para asegurar el paso de trabajadores y equipos. –– Continuidad a nivel de conexión eléctrica y telecomunicaciones. La torre ha de prever la conexión y paso de los cables de potencia y sistemas de control conectan la máquina con el exterior, permiten verter a la red eléctrica la potencia generada y controlar y monitorizar la turbina de forma remota.

TOWER

–– Pedestrian traffic continuity must also be assured. One such interface is the door at the base of the tower designed for staff and equipment entry, which provides access to the machine and connects it to the exterior. –– Electrical and telecommunications continuity is likewise essential. Towers must be fitted with openings to accommodate power and control system cableways for delivery of the power generated to the grid and turbine remote control and monitoring.

4.4 Internal components One of the tower’s non-structural purposes is to house a series of elements known as internals. These include assembly and maintenance working platforms, frames for securing equipment, electrical components and access and evacuation elements (normally a lift and a staircase).

Fig. 7. La torre tubular modular / Fig. 7. The modular tubular tower

4.5 The despotic rule of cranes The need for heavy lift resources is an intrinsic characteristic of tower assembly, given the height and dimensions of the elements involved. Even where towers are constructed on site using self-climbing formwork, for instance, a huge crane is needed to position the nacelle and the rotor at the top of the structure. Today’s market trend toward taller, higher capacity and heavier turbines is largely limited by the high cost of cranes, their often scant availability and the requirements they impose on wind farm civil works in connection with the minimum size of access roads, platforms and curve radii. All these factors ultimately have a heavy impact on project costs. For those reasons, the maximum nacelle (or nacelle plus rotor, as appropriate) weight that can be hoisted by the crane is the parameter that defines the maximum length and weight of the upper tower sections: i.e., their weight may not constitute an additional capacity requisite that might compromise hoisting of all elements in the shortest possible time. 225


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

4.4 Elementos internos de torre Una de las funciones no estructurales de la torre es albergar un conjunto de elementos conocido como internos de torre. En este grupo se incluyen plataformas de trabajo para las tareas de montaje y mantenimiento, bastidores de sujeción de equipos, equipos eléctricos y los elementos acceso y evacuación, generalmente un elevador y una escalera. 4.5 La dictadura de las grúas La necesidad de medios de elevación de gran potencia es una característica inherente a la altura y las dimensiones de los elementos que intervienen en el montaje de aerogeneradores. Incluso en aquellos en los que la construcción de la torre se realiza in situ, por ejemplo mediante el empleo de encofrados trepantes, la coronación de la estructura con la góndola y el rotor requiere el posicionamiento de una gran grúa. La tendencia actual del mercado hacia torres más altas y turbinas más potentes, y pesadas, está viéndose en gran medida limitada como consecuencia del coste directo de las grúas, muy elevado; su disponibilidad, en ocasiones muy escasa, y también de los requerimientos que en la obra civil del parque acaban imponiendo en cuestiones como las dimensiones mínimas de los viales y plataformas, parámetros de trazado mínimos, etc. En definitiva, todas ellas resultantes en importantes impactos en el coste del proyecto. Es por ello por lo que de hecho, la capacidad de la grúa para la elevación del peso máximo de la góndola –o de góndola + rotor, si fuera el caso– es el parámetro que define la longitud y peso máximo de los tramos superiores de la torre de forma que el peso de éstos no introduzca un requerimiento adicional en términos de capacidad, de manera compatible con la elevación de todos los elementos en el mínimo tiempo posible.

4.6 Alternative assembly systems to overcome today’s constraints: telescopic self-lifting precast concrete towers At this writing, in light of the considerable design convergence around the materials used and manufacturing costs, tower solutions can be said to compete more than ever in terms of reducing the time and resources needed for assembly. Lowering wind turbine costs is tantamount to lowering assembly costs, in which minimisation inevitably calls for eliminating the need for a large crane to hoist the turbine into position. That is precisely the approach that Esteyco has been furthering for some time with the design and construction of the first telescopic self-lifting wind tower, illustrated in Figures 8 and 9. A telescopic tower is a modular precast concrete tower in which the sections are assembled at low heights. Like in an onion or a matryoshka doll, they are mounted at foundation level, with the smaller sections enclosed inside the larger ones. This system requires the use of only small capacity, readily available cranes with low direct (rental or purchase) and indirect (requirements imposed on the farm’s civil works) costs. The nacelle and rotor are positioned atop the head of the tower before telescopic lifting begins, and the entire structure is raised by hydraulic jacking. The replacement of high capacity cranes with these hydraulic jacks, with a very low costto-weight hoisted ratio, naturally leads to a dramatic reduction in the cost of the process as a whole. A second advantage includes the broadening of the wind speed windows compatible with assembly, throughout which the working platform is positioned at a mere 35-40 m off the ground.

(pag. siguiente)

(opposite page)

Fig. 8. Torre telescópica autoelevable de hormigón prefabricado de Esteyco

Fig. 8. Esteyco’s pre-cast concrete telescopic self-lifting tower

226


X.II. TORRE

TOWER

4.6 Sistemas de montaje alternativos que superan las limitaciones actuales: torre telescópica autoelevable de hormigón prefabricado Hoy por hoy, debido a la notable convergencia entre los diferentes diseños en términos de utilización de materiales y costes de fabricación, puede afirmarse que la competitividad entre las soluciones de torre está más ligada que nunca a la reducción de tiempos y medios requeridos en el montaje. Si el camino de la reducción de costes de un aerogenerador pasa por la disminución de los costes de montaje, minimizar el principal coste de montaje pasa ineludiblemente por eliminar el requerimiento de la gran grúa para la elevación de la turbina. Este es precisamente el camino que desde hace ya un tiempo comenzamos a andar en Esteyco, impulsando el diseño y la construcción de la primera torre teles cópica autoelevable para aerogeneradores, que se puede ver en las figuras 8 y 9. La torre telescópica es de nuevo una torre modular de hormigón prefabricado en la que el montaje de los tramos se realiza a baja altura. Siguiendo el esquema de las capas de una cebolla, o el de una muñeca rusa, los tramos se ensamblan a cota de cimentación, envolviendo los unos a los anteriores e involucrando únicamente grúas de poca capacidad, alta disponibilidad y bajo coste –directo de su alquiler o compra pero también indirecto de los requerimientos que impone en la obra civil del parque. La góndola y el rotor se sitúan en la cabeza de la torre antes de comenzarse con la operación de izado mediante el telescopaje, que lleva a la elevación de todo el conjunto mediante el accionamiento de un sistema de gatos hidráulicos. El cambio de grúas de alta capacidad por estos gatos hidráulicos –con una relación bajísima Coste/Peso elevado– lleva, naturalmente a una reducción dramática en el coste de todo el proceso, además de tener otra serie de ventajas secundarias, como es la ampliación de las ventanas de viento compatibles con el montaje –recordemos que durante todo el proceso de izado, únicamente se trabaja desde una plataforma ubicada a unos 35-40 m desde el suelo– al estar trabajándose a mucha menor altura. 227


5. C onclusiones

5. C onclusions

Esta breve introducción a las torres eólicas, basada en una revisión de sus principales características, sus componentes y también de los condicionantes y alternativas de diseño más habituales, junto a la aproximación al comportamiento estructural y al tipo de cargas que debe soportar, nos permite ahora conocer mejor las dificultades de análisis y encaje de una estructura de apariencia simple.

This brief introduction describes the main characteristics and components of wind towers, their most common conditioning factors and design alternatives as well as their structural behaviour and the type of loads borne. The aim is to enhance the reader’s understanding of the difficulties involved in analysing and erecting these only apparently simple structures.

Según se ha visto, la clasificación de las torres de acuerdo a los materiales constitutivos, la tipología estructural o el método de ensamblaje y construcción revela las múltiples opciones de diseño que en combinación con la elección de la altura de buje y otros parámetros de carácter menos técnico y más político o social, como puede ser la necesidad de contenido y fabricación locales en determinados países, hacen que no siempre exista una solución de torre que destaque claramente sobre el resto y que para un mismo problema puedan plantearse diversas buenas soluciones para resolver el diseño.

(izquierda / left) Fig. 9. Torre telescópica de Esteyco Fig. 9. Esteyco’s telescopic tower

As noted, tower classification based on constituent materials, structural typology or assembly and construction method is indicative of the many design options available. In light of that variety, along with the choice of hub height and other less technical, more political or social parameters (such as requirements in connection with local content and manufacture in some countries), tower design is seldom a clear-cut choice; rather, any one of several good approaches may be equally suitable.


230


X.III. LA BASE DE LO VISIBLE. CIMENTACIONES DE AEROGENERADORES / WHAT DOESN’T MEET THE EYE: WIND TURBINE FOUNDATIONS MANFRED PETERSEN

1. M irando a lo no visible : Introducción Cuando me dicen que dibuje un árbol, ¿qué pinto?. Un tronco, las ramas y hojas. Pero eso solamente es una mitad de la verdad, hay raíces que ocupan un tanto más, aunque no son visibles. Lo mismo ocurre con los aerogeneradores. Hay una parte visible y una parte enterrada, la cimentación, que finalmente no se ve. Y todo eso encima de un terreno del que habitualmente solo tenemos información en forma de pinceladas, con las que nos tenemos que hacer una idea más general, buscando información de varias fuentes. Las cimentaciones quedan ocultas, pero pueden complicar la construcción, dar problemas en la vida útil y costar bastante dinero. Lo mismo ocurre también en otros tipos de estructuras como, por ejemplo, son los puentes y edificios. Ahora bien: ¿cuáles son las peculiaridades de las bases de los molinos de viento?. 2. La

fuerza del viento , cómo resistirla y transmitirla al terreno

1. A look into what can ’t be seen : Introduction When asked to represent a tree on paper, what do we draw? A trunk, the branches and the leaves, right? But that’s only about half of the truth: trees have roots that take up nearly as much space, although you can’t see them. You can say the same about wind turbines: part is visible and a second part, the foundation, lies underground. And they need to be built on soil about which we generally have only very sketchy information that has to be rounded out from a variety of sources. Although concealed, foundations may cause problems during construction or the service life of the structure that translate into substantially higher costs. Wind turbines are no different in that respect from other structures such as bridges and buildings. What then, makes such foundations any different? 2. H ow

the force of the wind can be resisted and transferred to the soil

¿Pueden las cimentaciones de los aerogeneradores sufrir deslizamiento, es decir, un movimiento horizontal debido a la fuerza del viento? No. ¿Por qué no?. Los aerogeneradores tienen un esquema de cargas algo peculiar. El viento actúa principalmente sobre las palas, aplicado en el centro del área barrido por las mismas a la altura de buje, típicamente, y hablando de las máquinas más habituales en la actualidad, a unos 80 a 120 m de altura. El empuje del viento sobre el fuste de la torre no es tan importante. La fuerza horizontal puede estar en torno a 800-1 000 kN (80-100 toneladas).

May wind turbine foundations slide, i.e., move horizontally under the force of the wind? No. Why not? The load system in wind turbine generators (WTG) is a little peculiar. The wind acts primarily on the blades which sweep an area whose centre is typically at the hub, 80 to 120 m off the ground in most of the machines built today. The thrust of the wind on the tower itself is less significant, while the total horizontal force may range from 800 to 1 000 kN (80-100 tonnes). Consequently, the vertical weight of the blades, nacelle and tower, around 3 000 kN (300 tonnes) is not much of an issue

Fig. 1. Árbol con raíces que normalmente no se ven; Torre con cimentación que tampoco se ve

Fig. 1. Tree with roots not normally seen; tower with foundations not normally seen either 231


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

El peso vertical del conjunto palas, nacelle y torre tampoco lo es tanto: unos 3 000 kN (300 toneladas) en torres de acero de 100 m. En torres de hormigón más altas, por ejemplo de 120 m, resulta superior, alcanzándose unos 10 000 kN (1 000 toneladas). La fuerza en base de torre, que realmente sí es importante, es el momento, la fuerza horizontal multiplicada por la altura de buje: 800 x 100 = 80 000 kNm. ¿Y eso qué supone?. Que la torre con su cimentación debajo puede volcar. La seguridad frente al vuelco se define como el momento estabilizador (que es el peso total por el brazo hasta el punto de vuelco) entre el momento desestabilizador (que viene de la torre). Por lo tanto, la cimentación tiene que tener (i) unas dimensiones importantes y (ii) mucho peso para garantizar la estabilidad. Se emplean, habitualmente, “cimentaciones de gravedad”. Se busca, entonces, la geometría necesaria para que no vuelque y se obtiene la “zapata mínima”, cuyo peso más el peso del relleno de tierra encima frecuentemente supera los 13 000 kN (1 300 toneladas). La moderada fuerza horizontal no puede mover el gran peso propio: F horizontal = 800 kN F vertical· tan d = (3 000 + 13 000)· tan 20º = 16 000 · 0.36 = 5 800 kN F horizontal << F vertical· tan d

Es éste el motivo por el que no deslizan las zapatas de aerogeneradores. En casos especiales, en cimentaciones sobre roca, se le puede “proporcionar más peso” con unos anclajes pretensados hacia abajo, activando así el peso de la misma roca, lo que ahorra hormigón y reduce la costosa excavación en roca. Sin embargo, las comprobaciones anteriores no son suficientes. También hay que comprobar si el terreno inferior tiene capacidad portante suficiente. Si la tensión admisible del terreno no soporta la presión transmitida por la cimentación, se puede 232

in 100-m high steel towers, although taller concrete towers, 120 m for instance, weigh considerably more, around 10 000 kN (1 000 tonnes). The force at the base of the tower that really matters, however, is the moment, i.e., the horizontal force multiplied by the height of the hub, 800x100=80 000 kNm. And what exactly is the concern? The fear is that the tower and the foundations below could turn over. Safety against overturning is defined as the resisting moment (the total weight times the lever arm to the overturn point) divided by the overturning moment (which comes from the tower). Therefore, foundations must (i) cover a large area and (ii) be very heavy to ensure stability. ‘Gravity foundations’ are normally used. What engineers seek, then, is a geometry that will prevent overturn and to design a ‘minimum footing’ whose weight plus the weight of the backfill is often upward of 13 000 kN (1 300 tonnes). Moderate horizontal force cannot move such a structure’s own self weight: F horizontal = 800 kN F vertical· tan d = (3 000 + 13 000)· tan 20º = 16 000 · 0.36 = 5 800 kN F horizontal << F vertical· tan d

That is why wind turbine footings do not slide. Where foundations are (exceptionally) built in rock, they can be ‘weighed down’ with special prestressed anchorages to capitalise on the weight of the rock itself, thereby saving on concrete and lowering the high cost of excavating in rock. All the above calculations do not suffice, however. The soil below must also be checked for sufficient bearing capacity. If it cannot bear the stress transferred to it by the foundations, the pressure can be reduced by increasing the size of the foundations or by treating the soil (replacing the upper soft layers with more competent material or making other improvements, such as injecting gravel or mortar or mixing the soil with cement or


X.III. CIMENTACIONES

aumentar su dimensión, reduciendo así las presiones sobre el suelo, pero también se puede tratar el terreno (sustituir las capas superiores blandas por suelo más competente, o aplicar mejoras del suelo diversas, por ejemplo, introduciendo inclusiones de grava o mortero o mezclar el terreno con cemento o cal) o ir a una cimentación profunda, mediante pilotes, buscando capas más competentes.

Fh, wind blades

Un requerimiento adicional y específico de las torres eólicas es la rigidez rotacional del sistema de cimentación. ¿Y eso que significa?. La torre misma tiene que tener una base que, bajo los momentos, no gire demasiado, porque si es demasiado flexible, la torre podría tener problemas con su frecuencia propia de vibración. El viento y los giros de las palas excitan la torre con una frecuencia. Ésta no debe estar cerca de la frecuencia propia de la torre, porque la podría llevar a la resonancia, con el consecuente peligro de aumentos incontrolados de esfuerzos en la torre y producir su colapso. Así que la estructura de la cimentación y, sobre todo, el terreno inferior tienen que cumplir unas exigencias mínimas de rigidez. La fórmula básica para evaluar la rigidez rotacional muestra que los parámetros que más influyen son el módulo de rigidez al corte del terreno (G), el coeficiente de Poisson (ν) y el radio de la zapata (r).

htower hub Fh, wind tower

Fv, tower + nacelle Mwind Fv, soil

kθ = 8 Gr /3(1-ν) ≥ kθ, min 3

En suelos menos rígidos, esta condición muchas veces obliga a aumentar las dimensiones (radio r de la zapata), a tomar medidas especiales para mejorar el suelo (aumentar el valor G) o bien a prever pilotes. Fig. 2. Esquema de fuerzas que influyen en el vuelco Fig. 2. Overturn force diagram

Fv, soil

Fh, wind total

Conviene recordar que la rigidez del suelo no se comporta de forma lineal, sino depende del grado del giro, del nivel de deformación tangencial, a que está sometido. Además, la variedad de las capas de suelo en la zona de influencia bajo la zapata, con comportamiento distinto, hace que el valor G del terreno multicapa no sea tan fácil de estimar.

FOUNDATIONS

A

hfooting

Fv, footing D γoverturn =

ΣFv · D/2 Mresisting = Moverturning Fh,wind · ( htower hub + hfooting )

lime). Another option is to use deep foundations by driving piles down to more competent layers. Wind turbine foundations must meet an additional, specific requirement: rotational stiffness. And just what does that mean? The tower itself needs a base that rotates very little when exposed to moments, for if it is too flexible its natural frequency could cause problems. The wind and blade rotation 233


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

induce tower movements with a certain frequency. If this frequency is close to the tower’s natural frequency, they may cause resonance and the concomitant risk of uncontrolled rises in stress on the tower that could cause its collapse. Therefore, the foundations and especially the soil below must meet certain minimum stiffness requirements. An analysis of the basic formula for rotational stiffness shows that the parameters that affect it most are the soil shear modulus (G), the Poisson ratio (ν) and the radius of the footing (r).

G/Go 1

0,8

0,6

0,4

kθ = 8 Gr3/3(1-ν) ≥ kθ, min

0,2

Soil stiffness, moreover, does not follow a linear pattern, but rather depends on the degree of rotation, i.e., shear strain, to which it is subjected.

0 1·E-06

1·E-05

Muy pequeñas deformaciones Very small shear strain

1·E-04

1·E-03

Deformaciones pequeñas, habituales en cimentaciones de aerogeneradores Small shear strain, routinely found in wind turbine foundations

1·E-02 Grandes deformaciones Large shear train

Deformación tangencial ) / Shear strain tangencial G de la Fig. 3. Dependencia del módulo de (γdeformación deformación Fig. 3. Shear modulus versus shear strain

3. E volución

de las

C imentaciones

Cuando los árboles se hacen más grandes, fuertes y altos necesitan –y tienen- raíces más grandes, tanto en superficie, como en profundidad y en grosor de las ramificaciones de las raíces. La evolución de los aerogeneradores en las últimas décadas ha sido vertiginosa. Cada vez son más altos, más potentes, con fuerzas más importantes y en sitios más complicados. ¿Cómo se han ido adaptando las cimentaciones?. Con las mayores solicitaciones, lógicamente, tenían que aumentar las dimensiones. Pero también se han ido optimizando las formas. 234

In addition, given the differential behaviour of the layers of soil in the area of influence under the footing, estimating the value of G in multi-layer soil is hardly straightforward. In less stiff soils, this condition often necessitates increasing the radius of the footing, taking special measures to improve the soil (raising the value of G) or using deep foundations (piles).

3. E volution

of

Foundations

As trees grow thicker, stronger and taller, they need (and have) larger roots, in terms of the area covered, the depth and the thickness of their root branches. Wind turbines have evolved at a dizzying rate in recent decades. They are increasingly taller, more powerful, exposed to stronger forces and located at more complicated sites. How have foundations adapted to all that? Rising stress has logically called for larger size. But shape has also been optimised. At first, designs envisaged square footings, the ones easiest to build. As wind, in principle, can blow from any direction (at its own discretion: we haven’t learned to master it yet), the optimal


X.III. CIMENTACIONES

Inicialmente, se diseñaron zapatas cuadradas, lo más fácil de construir. Como el viento, en principio, puede soplar de cualquier dirección (“según le da la gana, todavía no lo dominamos”), la forma óptima en planta es el círculo. Una forma geométrica intermedia es el octágono, que se utilizó bastante durante unos años, ya que se acerca al círculo, pero tiene la ventaja de poder colocar la armadura en mallas ortogonales. Finalmente, con las dimensiones ya bastante grandes, el círculo triunfó, también porque las armaduras radiales se adaptan bien a las exigencias, puesto que la separación de las barras se reduce hacia el centro y se adapta a la ley de esfuerzos. Otra forma de optimizar el volumen de hormigón consiste en la reducción del canto de la losa según su necesidad. Las zapatas pequeñas se diseñaban con canto constante. Con Losa cuadrada / Square slab

Losa octogonal / Octogonal slab

Fig. 4. Evolución de los diseños de las zapatas: a) planta cuadrada, b) planta octogonal, c) planta circular

FOUNDATIONS

shape in the plan view is a circle. Octagons, an intermediate shape, were used for a few years, since despite being nearly circular they can accommodate orthogonal reinforcement lattices. Ultimately, however, as size grew, the circle prevailed. Radially-laid reinforcement meets the demands on the structure well, for as the spacing between the bars decreases toward the centre, the system adapts to the law of forces. Another way to optimise the volume of concrete is to reduce the thickness of the slab to actual needs. In the past, smaller footings were designed with a constant thickness. With larger diameters, the amount of concrete needed can be reduced significantly by tapering slab thickness outwardly. The weight needed in gravity foundations is provided in part by the inexpensive soil piled on top of the slab (Fig. 4). Losa circular / Circular slab

Fig. 4. Evolution of footing design: a) square; b) octagonal; c) circular 235


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

diámetros más importantes, reducir el espesor hacia el exterior ahorra una cantidad de hormigón significativa. El peso necesario de las cimentaciones de gravedad se consigue, en parte, con tierra colocada encima, que resulta barata (fig. 4). Un paso más en la evolución: la losa de canto variable tampoco necesita ser losa completamente maciza. Pueden preverse unos muros o contrafuertes sobre una losa de poco canto, pues estructuralmente no hace falta tanto hormigón entre esos muros (fig. 5). El siguiente paso adelante para ahorrar materiales y consecuentemente costes: los nervios también pueden ser aligerados, convirtiéndose en jabalcones o puntales que distribuyen las fuerzas a una losa de poco canto. Ya se parece cada vez más a las raíces de un árbol. Como esta tipología se acerca a los límites de la capacidad de los materiales, el diseño requiere estudios bastante más sofisticados, analizando los detalles con mucha más precisión. Este desarrollo lleva a utilizar hormigones de mayor resistencia, emplear acero pretensado y, otro paso evolutivo importante, ir a elementos prefabricados, que pueden aprovechar las ventajas de la industrialización, bajando los costes, aumentando la calidad y precisión, y reduciendo los tiempos de ejecución (fig. 6). Los diseños también han tenido en cuenta los procesos constructivos, buscando su simplificación y estandarización. Además, por supuesto, se ha ido aprendiendo de los errores y patologías observadas en las cimentaciones, muchas relacionadas con la fatiga de los materiales, problematica al que, en el origen de los desarrollos eólicos, no se había prestado la suficiente atención.

4. E ncuentro de lo V isible con lo No V isible: C onexión Torre -C imentación La torre, habitualmente de acero (o, a veces, de hormigón de alta resistencia) se ve, pero de repente desaparece en el terreno. ¿Qué pasa ahí abajo?. 236

(arriba / above) Fig. 5. Cimentación con nervios, reduciendo el volumen de hormigón (GAMESA) Fig. 5. Foundation slab with walls, reducing the volume of concrete

(abajo / below) Fig. 6. Ejecución de una cimentación con jabalcones prefabricados, optimizando material Fig. 6. Foundations built using precast braces to optimise material


X.III. CIMENTACIONES

โ€ข

FOUNDATIONS

The fact that slabs with a variable depth do not need to be completely solid inspired another stage in evolution: walls or buttresses can be built over a relatively shallow slab, for structurally speaking, no concrete is actually needed in the space between such walls (Fig. 5). Other advances in terms of saving on materials and hence on costs include turning lightened ribs into braces or shoring that distribute the forces along a shallow slab. The outcome is something that looks more and more like tree roots. Since in this typology the loads envisaged are very close to the maximum bearing capacity of the materials, design calls for fairly sophisticated studies and a very precise analysis of the details. Such improvements entail the use of increasingly stronger concrete, prestressed steel and another evolutionary improvement, precast members, which capitalise on the advantages of industrialisation, lowering costs, raising quality and accuracy and shortening construction times. Designers also bear construction processes in mind, seeking simplification and standardisation.

N M

(arriba /above) Fig. 7. Virola, la parte inferior de la torre que se embebe en el hormigรณn de la cimentaciรณn Fig. 7. Embebed steel can, i.e., the bottom of the tower is embedded in the foundation concrete (abajo /below) Fig. 8. Esquema de trabajo de una virola: todas las fuerzas pasan por la brida inferior Fig. 8. Force diagram for an embedded steel can: note that all forces are conveyed across the bottom flange

Lastly, lessons have been learnt from the errors and pathologies observed in foundations, many related to material fatigue, a problem to which insufficient attention was paid in early wind turbine design.

4. Connection between the Visible and the Invisible: the T ower -F oundation I nterface Towers, normally made of steel (or occasionally of highstrength concrete), loom before the viewer but suddenly disappear into the ground. What happens down there? Steel tower walls, only a few centimetres thick, deliver the forces to another structure, the foundations, where the loads are distributed across a much larger area. This member consists of another material, concrete, which behaves very differently: 237


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Esta torre, con paredes de acero de pocos centímetros de espesor, entrega las fuerzas a otra estructura, la cimentación, que tiene la función de repartir las cargas a un área mucho más grande y que está formada por otro material, el hormigón, que tiene un comportamiento muy diferente al acero: la resistencia del hormigón es aproximadamente, como referencia, diez veces menor que la del acero. Esta interface torre-cimentación es delicada y se han utilizado varias soluciones más o menos satisfactorias. La solución clásica de la primera época de los molinos consistía en empotrar parte de la torre en la masa del hormigón, mediante una virola, un cilindro metálico. En su base se dispone de una brida, o chapa circular horizontal, que transmite el momento de la base de la torre principalmente como par de fuerzas verticales a la zapata. En algunos modelos se han soldado pernos conectadores, similares a los que se utilizan en puentes mixtos, para ayudar a la transmisión de cargas del acero al hormigón (figs. 7 y 8). Esta tipología de virola tiene ciertas desventajas: por un lado, la zona de la brida es muy delicada; y, por otro, la pared del cilindro corta el hormigón en dos partes prácticamente incomunicadas. A veces, la virola se coloca en un pedestal encima de la losa principal, para no interrumpir la armadura superior de la misma. En otros diseños la armadura superior de la zapata pasa por agujeros elípticos que se prevén en la virola. Ciertas deficiencias en el diseño de este tipo de conexión se han ido mejorando, pero no obstante, a lo largo de estos años, se han observado bastantes patologías. Una de las razones principales es la fatiga del hormigón alrededor de la brida inferior, zona de difícil acceso durante el hormigonado, por lo que la calidad del hormigón no siempre es la óptima. Otra problemática demasiado poco controlada es la entrada de agua a esta zona, pues el sellado entre la torre metálica y el pedestal de hormigón no se ha diseñado y mantenido en muchas ocasiones con suficiente rigor. 238

strength is approximately ten times lower in concrete than in steel. Several more or less satisfactory approaches have been used at the sensitive tower-foundation interface. The traditional solution in earlier structures consisted in restraining part of the tower in the concrete with a steel cylinder called an embedded steel can. The flange at the bottom of this structure conveys the moment there primarily as a pair of forces vertical to the footing. The connecting bolts included in some models much like the ones used in composite bridges help transfer the loads from the steel cylinder to the concrete (Figs 7 and 8). The embedded steel section typology has certain drawbacks, however. On the one hand, the area around the bottom flange is very sensitive and on the other the cylinder wall cuts the concrete into two essentially independent parts. Sometimes the foundation ring is set on a pedestal on top of the main slab so as not to interrupt the top reinforcement. At others, the top reinforcement in the footing is laid through elliptical holes cut into the steel can. Although certain shortcomings in the design of this type of connection have been improved, quite a number of pathologies have been observed in these members over the years. One of the main causes is concrete fatigue around the bottom flange, often the outcome of less than optimal concrete quality, given the difficulty in accessing this area during casting operations. Another under-controlled problem is water ingress in this area, for the seal between the steel tower and the concrete pedestal is not always designed and maintained to best industry practice. The solution most commonly applied today is the prestressed anchor bolt cage. This member anchors the tower, whose bottom flange rests on the foundations, to the concrete with prestressed bolts. Prestressing lowers the range of stress on the steel during wind turbine operation considerably, for the tensile forces are absorbed by decompression of the initially compressed concrete (Figs 9 and 10).


X.III. CIMENTACIONES

La solución más usada actualmente es la de la jaula de pernos pretensados. Se trata de anclar la torre, que descansa con su brida inferior sobre la cimentación, a la masa del hormigón mediante pernos pretensados. El hecho de pretensar reduce considerablemente el rango de tensiones en el acero durante la operación del aerogenerador, ya que las fuerzas de tracción son absorbidas por de-compresión del hormigón comprimido inicialmente (figs. 9 y 10). Conviene mencionar que hay que tener cuidado en no proporcionar un nivel de pretensado demasiado elevado, ya que el hormigón se resiente bajo una carga constante muy grande y la mejora frente al problema de la fatiga del acero se convierte en problema de fatiga para el hormigón. Otra ventaja de la jaula de pernos es que la armadura radial puede penetrar hacia el interior y el conjunto de hormigón no se corta, como en el caso de la virola, sino que el cuerpo de hormigón se mantiene monolítico. La conexión entre torres de hormigón y la cimentación es algo diferente. Como los materiales de los dos elementos son similares y el diámetro de la torre en la base es amplio, las tensiones no son tan concentradas. El muro de la torre se puede conectar

FOUNDATIONS

Prestressing pressure should not be overly high, however, for since concrete weakens under a constant load, the remedy to the steel fatigue problem induces a concrete fatigue problem. Another advantage of anchor cages over embedded steel cans is that their radial reinforcement can penetrate inward without interrupting the continuity of the concrete, which remains monolithic. The connection between concrete towers and foundations differs somewhat from the above. As the materials in the two members are similar and the tower diameter is wide at the base, stresses are not concentrated. The tower wall can be connected to the foundations with passive or active (pre-stressed) reinforcing steel. Optionally it may be anchored with external prestressed cables strung from the top of the tower that precompress all its sections, including the tower-foundation connection. These cables are often anchored to corbels in the foundations, a system that calls for a large manhole to tense them. This solution helps keep the sensitive interface visible for review and diligent maintenance of the main structural members, although it renders foundation construction considerably more complex, with the concomitant rise in costs. N M

Fig. 10. Esquema de trabajo de la jaula de pernos: la fuerza descendente actúa en la cara superior, mientras que la ascendente actúa en la cara inferior Fig. 10. Force diagram for an anchor bolt cage: the downward force acts on the top and the upward force on the bottom of the slab (izquierda / left) Fig. 9. Jaula de pernos como conexión con la torre Fig. 9. Anchor bolt cage for connection to the tower 239


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

al cimiento con barras pasivas y/o activas (pretensadas), anclándose opcionalmente también cables de pretensado exterior que vienen desde la cabeza de la torre, precomprimiendo todas las secciones, incluyendo naturalmente la junta torre-cimentación. El anclaje en la cimentación frecuentemente se realiza mediante ménsulas y requiere un foso de acceso para el tesado de estos cables. Esta solución ayuda a mantener visible la delicada interface y poder revisar y mantener bien los elementos estructurales importantes, aunque complica notablemente y consecuentemente encarece la ejecución de la cimentación.

5. Geotecnia: Encuentro con lo nunca visto-Interface Estructura-Terreno La finalidad última de una cimentación es transmitir al terreno las cargas de la estructura que soporta. ¿Cuáles son los retos, las complicaciones, las peculiaridades?. –– La capacidad portante del terreno puede ser del orden de unas cien veces inferior a la del hormigón. –– El terreno no transmite tracciones –salvo cuando se prevén pilotes o anclajes al terreno. –– El subsuelo nunca es visto, solo se ve la parte superior de la excavación y unas pinceladas, a partir de sondeos u otros ensayos que nos dan una idea de lo que puede haber ahí abajo. Pero quedan incertidumbres. –– La labor del geotécnico consiste en interpretar esos datos –con su conocimiento y experiencia– y obtener un modelo geotécnico representativo y suficientemente fiable para diseñar con seguridad ese elemento que reparte las cargas de la torre al elemento más débil (fig. 12). Las campañas y los estudios geotécnicos cuestan dinero. ¿Cuánto hace falta?. Siempre puede ser tranquilizante tener un par de ensayos más, para estar más seguro, aunque hay que preguntarse: ¿realmente aportan más conocimiento útil del subsuelo?. Si el terreno es bueno, el diseño geotécnico es fácil, pero si es complicado, el diseño es delicado. 240

5. S oil Technology , the C onnection to what’s never seen : the S tructure -S oil I nterface The ultimate purpose of foundations is to transfer the loads borne by a structure to the soil. What challenges, complications, particularities does that entail? –– Bearing capacity may be on the order of one hundred times less in soil than in concrete. –– Tensile stress is only transferred to the soil where piles or anchorages are driven into the ground. –– The subsoil is never seen: all that is seen is the top of the excavation and a glimpse or two of what’s underneath furnished by boreholes or other tests. Uncertainties remain, however. –– The geotechnician’s job is to interpret those data, based on expertise and experience, and obtain a representative geotechnical model reliable enough to design the system that distributes the loads from the tower to a weaker member safely (Fig. 12). Geotechnical campaigns and surveys cost money. How much is needed? It’s always comforting to have a couple more tests, to be more certain, although the question to be posed is: will they really deliver a more useful understanding of the subsoil? If the soil is competent, the geotechnician’s task is simple, but if it poses problems, design is also more complex. The first thing that must be done, then, is to define a suitable geotechnical campaign, sufficient to guarantee safe and at the same time cost-effective design. Standard tests include boreholes, from which core samples are taken for laboratory testing. Others may be recommended for certain types of soils only, and certain tests are not common in a country, it may not be worthwhile to bring in the specialised machinery required. Local experience should also be borne in mind, for such experts know their soils and how to handle the problems involved. For instance, an area may be characterised by karstic rock with caves, a very irregular top layer of rock, collapsible


X.III. CIMENTACIONES

Lo primero, por tanto, será la definición de una campaña geotécnica adecuada, suficiente para poder garantizar un diseño seguro, pero no derrochador. Hay ensayos estándar, como sondeos, con recuperación de muestras y ensayos de laboratorio, pero otros son indicados solamente para ciertos suelos, algunos no son habituales en el país y no compensa traer maquinaria especializada. Es importante tener en cuenta la experiencia local, que conoce la problemática de sus suelos y cómo enfrentarse a ella. Por ejemplo, en ciertas regiones puede haber roca cárstica con cuevas o un techo de roca muy irregular; o suelos colapsables (loess en el este de Europa y en Sudamerica) o suelos expansivos que en contacto con agua pueden empeorar drásticamente el comportamiento; o un suelo agresivo al hormigón. Las soluciones pueden ser muy distintas en cada caso, con más o menos éxito, más o menos coste. Otro fenómeno que se puede dar en ciertas regiones, por ejemplo en uno de los sitios más privilegiados en cuanto a viento, en el Istmo de Tehuantepec, que se ubica entre el golfo de México y el Pacífico, es el de la licuefacción del terreno. En el caso de que el suelo esté compuesto por arenas sueltas saturadas, un sismo fuerte puede provocar que se licúe esta arena y que, súbitamente, pierda su capacidad portante. Si el lugar es susceptible de sufrir esta problemática, es preciso obtener datos específicos (granulometría, compacidad, densidad, nivel de saturación) para evaluar el riesgo y poder tomar medidas para evitar ese colapso. Frecuentemente se trata de reducir la presión intersticial con un drenaje mediante columnas de grava. Otro elemento a considerar, que resulta muy importante, es la presencia del nivel freático. Dado que la subpresión del agua influye en gran medida en las dimensiones de la cimentación (le quita peso), conviene, en los sitios donde este aspecto no está claro, observar el nivel freático durante un período suficientemente largo, para definir con seguridad cómo se tiene que tener en cuenta o qué medidas se pueden tomar para reducir su efecto.

FOUNDATIONS

soil (loess in eastern Europe and South America), expansive soil which in contact with water may perform poorly or soils that are aggressive to concrete. The more or less successful, more or less costly solutions in place must be adapted to each individual case. Another phenomenon, soil liquefaction, may be found in regions with a very valuable wind resource, such as the Tehuantepec isthmus between the Gulf of Mexico and the Pacific Ocean. Where the soil consists in saturated loose sand, a strong earthquake can cause the sand to liquefy and abruptly lose its bearing capacity. If a site is prone to such a problem, specific data are required (grain size distribution, compactness, density, saturation level) to assess the risk and take measures to prevent such a collapse. Often the interstitial pressure has to be lowered by gravel column-based drainage. Another important element to be taken into consideration is the groundwater table. Water uplift has a significant impact on the dimensions of the foundation (lowering its weight). At sites where the water table depth is unclear, then, it should be observed over a sufficiently long period of time to safely determine how it should be taken into account or what measures need to be adopted to reduce its impact. Campaign findings, along with an understanding of the soil, are applied to assess possible problems and design and verify the geotechnical suitability of both the typology chosen and the foundation dimensions defined. As noted earlier, bearing capacity and rotational stiffness are two fundamental factors in establishing foundation geometry. Vertical settlement under permanent loads, if uniform, is not cause for too much concern, for it would not change the behaviour of wind towers, which are statically determinate structures. This is not the case of differential settlement (rotational movements), however, because the unevenness may cause the tower to lean, generating second order moments as a result of a permanently eccentric load. 241


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Con los resultados de la campaña, conociendo el terreno, hay que evaluar los problemas que puede tener y diseñar la tipología y las dimensiones de la cimentación y verificar geotécnicamente su validez. Como ya hemos visto, para el encaje geométrico de la cimentación la capacidad portante y la rigidez rotacional son dos factores fundamentales. Asientos verticales bajo cargas permanentes, si son uniformes, no preocupan tanto, ya que una torre eólica es un sistema isostático y no cambiarán el comportamiento de la torre. No es así con los asientos diferenciales (giros), por ejemplo, debidos a una estratigrafía no homogénea, ya que pueden causar una inclinación de la torre y consecuentemente unos momentos de segundo orden debidos a la carga permanente excéntrica. La geotecnia tiene un campo muy amplio y una responsabilidad grande. Tiene que investigar, con un coste y plazo razonable, el subsuelo; detectar problemas de muy diversa índole, elegir una tipología adecuada (con diferencias de coste muy importantes entre las distintas opciones), procesar una cantidad significativa de datos, afinar a la hora de definir las dimensiones de la cimentación, justificar debidamente su capacidad, indicar la profundidad de apoyo y especificar eventuales mejoras del suelo –y todo ello– posición por posición. Un buen estudio y diseño puede ahorrar mucho dinero, pero errores en la comprensión del terreno y el diseño geotécnico pueden tener consecuencias nefastas. Así que, por favor, no despreciemos los trabajos de la materia nunca vista.

580 570 560 550

6. D iseñar el Interior de lo no V isible: C álculo E structural Después de encajar la geometría de la cimentación hay que analizar el interior del elemento, que después de hormigonar ya no será visible. El hormigón, capaz de soportar fundamentalmente compresiones, necesita armadura de acero que aguante con seguridad las tracciones que se producen en el interior. Como el acero es relativamente caro, la cuestión es 242

S2C1 S2C2

S2C3

540 (m) s.l.m.

Fig. 12. Ejemplo de perfil geotécnico Fig. 12. Example of geotechnical charts showing profile


X.III. CIMENTACIONES

cuánto, dónde y cómo disponer de ese material, para obtener una estructura segura y optimizada económicamente. Aunque al ingeniero estructural responsable del diseño de la cimentación le gusta tener las cargas bajo su control, incluyendo las de la torre, hay que decir que, en general, éstas últimas no son calculadas por él, sino que le son proporcionadas por el fabricante del aerogenerador, que tiene en cuenta con programas específicos todos los escenarios de viento, con sus efectos dinámicos, paradas y sucesos eventuales que marca la normativa. A las reacciones de la torre hay que añadir el peso propio de la torre y del relleno que gravita sobre la cimentación, evaluar el efecto sísmico sobre el macizo de la cimentación y, nada despreciable, contar con la subpresión del agua si el nivel freático es alto. El nivel de análisis estructural ha evolucionado. Según aumentaban las dimensiones y el conocimiento de la problemática específica de los aerogeneradores, se afinaron los métodos, tanto para la obtención de esfuerzos, como para el dimensionamiento de la armadura y las verificaciones a fatiga. Las primeras zapatas cuadradas se calcularon analíticamente, “a mano”, con fórmulas simples, similar a cimentaciones de otras estructuras a las que el ingeniero estructural estaba más acostumbrado, como eran, por ejemplo, los puentes, tomándolas como elementos rígidos y repartiendo la armadura casi uniformemente en todo el ancho (fig. 13). Con geometrías más complejas, como el octágono o el círculo en planta y canto variable, un trono de cono, se extendió el cálculo con modelos de elementos finitos (MEF) tipo placa, de dos dimensiones. Este método da unos esfuerzos más realistas –y así más seguros– y permite, por otro lado, optimizar la armadura. También es importante tener en cuenta la no linealidad del suelo, es decir, tener en cuenta que cuando la losa despega el terreno no transmite tracciones (fig. 14). Existe también la posibilidad de hacer modelos elásticos sólidos en tres dimensiones, que representan aún mejor la deformación y los esfuerzos de la estructura. Pero el post-análisis de los

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Geotechnics has a broad scope and its practitioners assume substantial responsibility. They must explore the subsoil for a reasonable cost and within a reasonable time, detect the existence of any of a wide variety of possible problems, choose a suitable foundation typology (whose cost varies widely from one option to another), process a significant volume of data, accurately define foundation dimensions, duly justify their capacity, establish the depth of supports and specify possible soil improvements... position by position. A good survey and design may save a fair amount of money, whereas errors in understanding the soil and the geotechnical design may have highly adverse consequences. Let us not, then, underestimate the importance of work whose material results go unseen.

6. Designing the I nside of the Non-Visible: S tructural E ngineering Once foundation geometry is defined, the next step is to analyse the insides of members that will no longer be visible after the concrete is cast. Concrete, which works well under compression, needs to be reinforced with steel to safely bear the tensile stress generated in its interior. Inasmuch as steel is relatively expensive, the question is how much, where and how to deploy this material to build a safe and economically optimised structure. Structural engineers responsible for foundation design like to have all the loads under their control, including the loads on the tower. As a rule, however, the latter are furnished by the wind turbine manufacturer, which uses specific software to take all wind scenarios into consideration, including the dynamic effects involved, shut-down and other contingencies laid down in the legislation. Nonetheless, account needs to be taken not only of tower reactions, but also their self-weight and the weight of the backfill on the foundations, the seismic effect on the foundations themselves and the far from negligible impact of uplift if the groundwater table is high. 243


CON EL VIENTO A FAVOR

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esfuerzos se complica y, en general, esta sofisticación no vale la pena para el cálculo de las armaduras generales; salvo, quizás, unos estudios de detalles, como la entrega de cargas bajo la brida de la torre. Pero como éstos son genéricos, es suficiente estudiarlos una vez en detalle y no en cada zapata de nuevo. El análisis más complejo es el MEF en 3D no-lineal, en el que se representa tanto el hormigón, como la armadura y el elemento de interface (como la virola de acero con sus pernos conectadores o la jaula de pernos). Este método ya bastante sofisticado y complejo puede servir para estudiar cimentaciones existentes con algún defecto de diseño, ver si alcanza el nivel de seguridad requerida y detectar insuficiencias. Estos modelos también activan reservas intrínsecas del hormigón armado, es N

M

σmáx Reference section m

Structural analysis has evolved with foundation size and the understanding of the specific problems affecting wind turbines: methods have been refined to identify forces, establish reinforcement ratios and compute fatigue. The earliest square footings were analytically engineered ‘by hand’ with simple formulas, like foundations for other structures to which engineers were more accustomed, such as bridges. In this approach footings were assumed to be stiff members and the reinforcing steel was distributed nearly evenly across their entire width (Fig. 13). As structural engineering needed to adapt to more complex geometries, such as octagons or circles in plan view with variable thicknesses (i.e., a conical frustum), the use of twodimensional finite element models (FEMs) with plate elements became standard. This method delivers more realistic (and hence safer) force values and distributions while also optimising reinforcement ratios. Another factor to bear in mind is the non-linearity of the soil, which means that when the slab becomes detached, no tensile forces are transferred to the ground (Fig. 14). Models for three-dimensional elastic solids can also be developed to represent strain and stresses on the structure even more realistically. Nonetheless, the post-analysis complications introduced by this sophistication render it scantly useful for dimensioning general reinforcement except, perhaps, in studies of details, such as load transfer underneath the tower flange. As such details are generic, however, one study suffices for all the footings. The most complex analysis is non-linear 3D FEM, which simulates the concrete, the reinforcement and the interface

Fig. 13. Esquema simplificado para el cálculo de una zapata cuadrada (arriba a la izquierda, en gris). Fig. 14. Modelo de elemento finito tipo placa (2D) de una zapata. a) tensiones en el terreno, b) Momentos flectores, c) Momentos flectores en cimentación con pilotes. 244

Fig. 13. Rough sketch for engineering a square footing (above left, in grey). Fig. 14. 2D finite element model with plate elements applied to a footing: a) soil pressures; b) bending moments; c) bending moments in a foundation built on piles.


X.III. CIMENTACIONES

decir, si un camino de cargas está agotado, puede haber otros que siguen funcionando y permiten una carga mayor antes del colapso del conjunto en Estado Límite Último (fig. 15). Con los esfuerzos obtenidos hay que elegir la armadura y comprobar que aguanta en situaciones extremas y “abnormales”, pero también en servicio, para tener en cuenta el control de la fisuración, y en fatiga. Especialmente en puntos de altas tensiones, los millones de ciclos, que tienen que soportar los materiales, producen unos daños acumulados. La experiencia ha mostrado que sobre todo el hormigón también se cansa, fenómeno que no se observaba en otro tipo de estructuras, como, por ejemplo, puentes. Se trata, en cierto modo, de “otra dimensión”, pues no solamente influyen las fuerzas [kN] y las dimensiones [m], sino que entra en juego también el tiempo, o mejor dicho, el número de ciclos de cada esfuerzo. Conviene comentar que los cálculos de fatiga utilizados hoy en día (regla de Pamlgren-Miner, que suma el daño de todos los esfuerzos unitarios) son bastante sensibles

FOUNDATIONS

member (such as the embedded steel can with its connecting studs or the anchor bolt cage). This fairly sophisticated and complex method may serve to study existing foundations with some design flaw with a view to identifying shortcomings and ascertaining whether safety requirements are met. Such models also simulate the activation of intrinsic reserves in the reinforced concrete: i.e., if one load path is depleted, others may continue to be operational and accommodate a greater load before ultimate limit state collapse (Fig. 15). Once the forces are determined, the reinforcing steel must be chosen and its ability to withstand extreme and ‘abnormal’ situations (ultimate limit states) verified. In addition, serviceability limit states (crack width control) and fatigue performance must be checked. The millions of cycles to be withstood by the materials, especially at high stress points, generate cumulative damage. Experience has shown that the concrete also undergoes fatigue, contrary to what has been observed in other types of

Fig. 15. (izquierda) Modelo 3D no-lineal con hormigón, armadura y virola y Tensiones principales; (arriba) Caminos de carga: vectores con direcciones y valores de las compresiones en el hormigón. Fig. 15. (opposite) Non-linear 3D FEM model showing concrete, reinforcement and the embedded steel can; and principal stresses; (above) load paths, vectors with directions and concrete compression values. 245


CON EL VIENTO A FAVOR

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a los datos de entrada y, básicamente, dan más bien una idea general sobre el comportamiento bajo los escenarios supuestos que un valor exacto. Las formulaciones de las distintas normas también llevan a resultados bastante divergentes, lo que nos indica el grado de conocimiento del fenómeno que la ciencia tiene a día de hoy en esta materia, pero desde luego nos advierte que ese fenómeno existe y que hay que ser prudente a la hora de diseñar e, igual de importante, de ejecutar el hormigón. Como es obvio, no queremos que de lo no-visible salgan problemas a la vista.

7. Problemas

en lo que luego no se ve

Además de posibles defectos de diseño, la ejecución misma de las cimentaciones puede tener varios problemas, adicionales a las dificultades habituales en la construcción. En general, los parques eólicos suelen construirse en emplazamientos remotos, lejos de una infraestructura ideal para la construcción, lo que complica el día a día. El personal, la maquinaria y los eventuales repuestos tienen que ser transportados ex profeso desde distancias en ocasiones largas, el transporte del hormigón desde las plantas existentes hasta la obra puede tardar bastante, lo que es un riesgo para la calidad del mismo. Además, el gran volumen de hormigón, generalmente por encima de los 300 m3, causa problemas, tanto de suministro, como de cansancio del personal, como de riesgo de tener que trabajar con luz artificial, pero también de los problemas originados por el calor de hidratación del hormigón en grandes masas. El corte de suministro de hormigón no pocas veces causa juntas frías en la zapata que posteriormente hay que analizar primero y luego tratar adecuadamente. La falta de curado del hormigón, junto con la retracción temprana, pueden llevar a fisuras que, si su ancho es elevado, requieren reparaciones, con mortero especial o incluso con inyecciones. Actuar en lo “nunca visto”, el subsuelo, puede resultar más 246

structures such as bridges. Wind turbines lie in ‘another dimension’, involving not only forces (kN) and dimensions (m), but also time, expressed as the number of cycles per force. The fatigue calculations used today (Palmgren-Miner rule, which sums the damage induced by all the individual forces) are fairly sensitive to the input data and hence generally provide an overall idea of the fatigue behaviour under assumed scenarios rather than an exact value. The formulas recommended by different standards also lead to divergent results, an indication of our scant scientific understanding of the phenomenon at this writing. We nonetheless know enough to be aware of its existence and of the need to be cautious when designing, and more importantly casting, concrete. Obviously, we don’t want what can’t be seen to induce problems in what can.

7. Problems

around what ultimately goes unseen

Outside of possible design flaws, WTG foundation construction may itself pose problems in addition to those normally encountered in other types of structures. The distance between the normally remote sites where wind farms tend to be built and any ideal infrastructure complicates everyday routines. Personnel, machinery and any possible replacements must be shipped often from very far away. Moreover, the duration of concrete shipping time from existing plants constitutes a risk to quality. Moreover, the vast volumes of concrete needed, upward of 300 m3, poses supply, personnel fatigue and heat of hydration problems, along with the risk of having to work under artificial light. Far too often, interruptions in concrete supply lead to cold joints in the footing that must first be analysed and subsequently treated. Failure to cure the concrete, in conjunction with early age shrinking, may cause cracking that, depending on the crack width, may need to be repaired with special mortars or even injections.


X.III. CIMENTACIONES

complicado de lo esperado: pilotes que no llegan al estrato competente estimado, maquinaria que no puede con los suelos, colapso de las arenas dentro de los pilotes excavados, etc. El agua, ya sea de lluvias o provenga de un nivel freático alto, puede incomodar bastante, ablandando por ejemplo el fondo de excavación, dificultando el uso de maquinaria o causando desprendimientos de las laderas de las excavaciones. Tampoco hay que olvidar otros detalles constructivos o elementos a priori secundarios que podría pensarse no ser de tanta entidad, como por ejemplo: –– Los tubos para los cables de potencia, que siempre molestan. –– El sellado, que es importante sobre todo en interfaces con virolas, puesto que el agua es un silencioso pero peligroso enemigo. –– El mortero de alta resistencia en los delicados puntos que se ubican justamente bajo la torre, cuya perfecta instalación exige experiencia para que en el tiempo corto de fraguado no se quedan bolsas de aire bajo la brida, que provocan tensiones aún más concentradas. Una patología relativamente frecuente es la fatiga del hormigón bajo la brida inferior de la virola. Por una parte, las tensiones en servicio no son uniformes, sino más bien concentradas bajo la parte más rígida, bajo el propio cilindro. Luego el agua que entra a través de un sellado dañado puede lavar el polvo del hormigón, machacado por fatiga, y bombear la mezcla de aguacemento con cada movimiento de la torre hacia el exterior, dejando un espacio cada vez más grande alrededor de la brida. Sumado con otras deficiencias del armado, esto lleva a que la torre se mueva, pudiendo llegar a ser los movimientos relativos entre torre y cimentación de hasta varios centímetros en el sentido vertical. Este proceso de deterioro va acelerándose cada vez con más fuerza, ya que la virola golpea al hormigón como un martillo y lo daña más cuanto más movimiento hay. Para reparar esta patología habitualmente se inyectan resinas epoxi o lechadas de cemento con alta presión, previo lavado

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Working with what’s 'never seen' may be more complex than expected: piles that fail to reach the estimated competent stratum, machinery unable to handle the soil or detached sand that slides into excavated piles. Water, whether from rain or a high water table, may cause considerable trouble, by softening the excavation floor, rendering machinery use difficult or washing material off the sides of excavation ditches. Construction details or elements that may initially be thought to be secondary or only marginally important must not, however, be overlooked. These include: –– pipes for power cables, which are always in the way –– sealing, which is important at the interface with the embedded steel section, for water is a silent but dangerous enemy –– high-strength mortar at sensitive points located immediately underneath the tower, necessitating experienced laying to ensure that no air pockets form under the flange in the short setting time, which could concentrate stress further. One fairly common pathology is caused by concrete fatigue under the bottom flange of the embedded steel can. Stresses are not evenly distributed, but rather concentrate at the stiffest area under the cylinder itself, ultimately crushing the concrete. Water flowing inward across a faulty seal may subsequently wash away the dust from the crushed concrete and carry the water-cement mix outward with each tower movement, leaving an ever larger gap around the flange. In conjunction with reinforcement flaws, this induces movement in the tower. The relative vertical motion between the tower and the foundation may measure up to several centimetres. Decay progresses with increasing speed and force as the flange strikes the concrete like a hammer: the larger the gap, the greater the damage. This pathology is usually remedied by injecting epoxy resins or cement grout at high pressure after intensely rinsing the gaps. In cases where the original design was flawed, restoration 247


CON EL VIENTO A FAVOR

โ€ข

WITH A FAIR WIND

Fig. 16. Armadura preparada para hormigonar la cimentaciรณn Fig. 16. Steel reinforcement ready for casting concrete in foundations

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X.III. CIMENTACIONES

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intenso de los huecos en el interior. En ciertos casos, en aquellos donde el diseño original peca de fallos que es preciso corregir proporcionando caminos alternativos para las cargas, incluso puede hacer falta un refuerzo mecánico que asegure la estabilidad y el buen funcionamiento de la torre. Y siempre hay que revisar y reparar el sellado, elemento sencillo y barato, pero de una importancia que no hay que despreciar.

involves finding alternative load paths via mechanical strengthening to ensure stability and proper tower operation. Seals, in turn, simple and inexpensive elements whose importance must not be underestimated, must be constantly inspected and repaired as needed.

8. C onclusión

8. C onclusion

Las cimentaciones tienen la función de repartir las cargas –sobre todo los enormes momentos– de los altos aerogeneradores, al suelo, que es muchísimo menos resistente que los materiales de las torres, y éstas tienen sus particularidades (fig. 16). El diseño de estos elementos, a primera vista, no parece complicado; pero –al mirarlo de cerca, en detalle– sí tiene sus singularidades, que hay que tener en cuenta para evitar problemas de varios tipos. Hay que diseñarlos con cuidado y conocimiento. El hecho de que no están a la vista, sino que se encuentran enterrados y escondidos de las miradas, no es para ocultar desperfectos. Más bien al contrario, este hecho dificulta la observación y el mantenimiento, pudiendo causar importantes problemas, que resultan en ocasiones carísimos de solucionar. Evidentemente, unos buenos diseños y correctas ejecuciones son la mejor solución frente a estos males, con lo que el conocido dicho según el cual “la buena ingeniería tiene su coste, pero que puede llegar a ahorrar mucho dinero”, tiene todo el sentido del mundo!.

The purpose of wind turbine foundations is to distribute the loads, especially the huge moments, generated in such tall structures, to the soil, which is much weaker than the tower materials. And foundations have their own particularities (Fig. 16). While at first blush design of these elements may not appear to be very complex, when viewed in detail it is characterised by complexities that must be borne in mind to prevent several types of problems. Design calls, then, for expertise and careful planning. Foundations are not buried and concealed from view to hide imperfections. On the contrary, being underground makes them harder to monitor and maintain, while failure to do so can cause sizeable and expensive problems. Good design and satisfactory construction are obviously the best solution to these shortcomings. Hence the well-known adage, ‘good engineering is costly but can save a lot of money’ is specially fitting here.

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10.4 LA OBRA CIVIL DE LOS PARQUES EÓLICOS. Caminos, plataformas y otras actuaciones CIVIL WORKS IN WIND FARMS. Roads,platforms and other works FRANCESCO MICELI

1. Introducción

1. I ntroduction

En este capítulo se presentan las características principales de los caminos internos de los parques eólicos y de las otras actuaciones auxiliares (plataformas y drenajes), junto a sus peculiaridades y sus problemas más frecuentes. Es importante destacar que hablar de cómo son los “caminos internos de un parque eólico” es, en cierto modo, como hablar de cómo son los “caminos por el mundo”: dependiendo de los materiales disponibles y de la tradición local se encuentra de todo, desde caminos de laterita en Senegal o de arena en una playa en México hasta caminos flotantes sobre la turba en Escocia, pasando por soluciones innovadoras que incorporan geotextiles, geomallas o geoceldas en zonas donde resulta muy complicado encontrar material de calidad. Esta enorme variabilidad de condiciones locales hace que sea difícil generalizar, aunque ciertas características o problemas suelen repetirse en distintos proyectos.

This chapter describes the most prominent characteristics of internal roads and other ancillary works (platforms and drainage) in wind farms, along with their peculiarities and the problems most frequently posed. Be it said by way of introduction that discussing ‘internal roads in wind farms’ is tantamount, in a way, to discussing ‘roads world-wide’. Depending on the materials available and local traditions, just about anything is possible: from laterite roads in Senegal or sand on a Mexican beach to roads that float on peat in Scotland, not to mention innovative solutions involving geotextiles, or cellular confinement systems such as geowebs or geocells in areas where quality materials are hard to come by. In light of the wide variety of local conditions, generalising is no easy task, although certain characteristics or problems are common to many projects.

2. Evolución Histórica. Tipologías Actuales de Caminos Muchos de las primeras turbinas eólicas se instalaron con grúas de carro o vía ancha, que cuentan con una distancia exterior entre orugas del orden de los 9-10 metros. Para garantizar la posibilidad de mover este tipo de grúa ensamblada, sin desmontarla entre las turbinas, se hicieron entonces importantes inversiones para realizar caminos del ancho necesario –inversiones que en general resultaron ampliamente compensadas gracias a la excepcional calidad del recurso eólico en aquellos emplazamientos.

2. Today ’s R oad Typologies and Their H istory Many of the earliest wind turbines were installed using crawler cranes with tracks widths on the order of 9-10 metres from edge to edge. Considerable sums were invested to build roads wide enough to ensure that such cranes could be moved between turbines without dismantling them. As a rule, such investments were fully justified thanks to the exceptional quality of the wind resource at the sites at issue. (izquierda / opposite) Fig. 1. ¿Es la energía renovable la única vía? Fig. 1. Is renewable energy the only way? 251


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

With the intense competition in today’s industry, however, the pressing need to lower the cost of energy (CoE) and the appearance and generalised use of modern narrower track cranes, road widths have straitened substantially. Most measure just 6, 5 or even 4.8 metres in environmentally sensitive areas or where the right of way is limited. In addition to this clear trend toward narrower roads, environmental requirements have also become stricter. And while legislation tends to vary from country to country, designs are now expected to take the local flora and fauna into consideration by, for instance, refraining from felling certain types of trees or leaving open corridors for birds and other animals. Aesthetic requisites are often also in place, such as ensuring that roads blend into the landscape and environs (using a certain colour gravel, for instance, so they are not overly visible).

Hoy en día, debido a la intensa competencia en el sector, así como a la imperiosa necesidad de reducir el coste de la energía (CoE), también a la aparición o generalización de nuevos modelos de grúas de vía estrecha, actualmente se trabaja con anchos sensiblemente más reducidos: 6, 5 o incluso 4,80 metros en zonas muy complicadas medioambientalmente o con un derecho de vía muy reducido. Además de una clara tendencia a caminos de ancho inferior, también se observa un aumento de los requerimientos de tipo medioambiental. Y aunque estos últimos suelen variar mucho de un país a otro, actualmente suele ser usual que se pida proyectar teniendo en cuenta la fauna local, por ejemplo evitando cortar ciertos tipos de árboles o dejando corredores sin estructuras para pájaros y otros animales. También suele haber requerimientos de carácter más estético, como por ejemplo el insertar correctamente el trazado en el paisaje existente en el entorno (por ejemplo, utilizando una zahorra de cierto color para que el camino no destaque demasiado). 252

3. Geometric C onstraints: H orizontal A lignment As a rule, the factors that condition the horizontal alignment of internal roads in wind farms are directly related to the enormous dimensions of wind turbine blades. Blades of under 40 metres have practically disappeared from the market and industry trends are toward increasingly larger rotors. For that reason, in areas where terrain topography is complex or structural density is high, each curve constitutes a challenge: the area needed to accommodate blade sweep must be carefully calculated to minimise costs. Nearly all the specialised firms engaging in this business use software such as AutoTURN or AutoPath to simulate both the lorry and the blade path along the entire route travelled. While the accuracy of the results depends on many variables (the quality of the topographic information, the simulation algorithm used and lastly but not least importantly, the driver’s skill), such software is usually the best option open to design engineers. In any event, a ‘dry run’ (i.e., with the lorry carrying an object such as a beam that simulates the presence of the blade) is usually effected prior to transporting the first blade.


X.IV. LA OBRA CIVIL DE LOS PARQUES EÓLICOS

3. V ínculos Geométricos

en

Planta

CIVIL WORKS IN WIND FARMS

4. Geometric C onstraints: V ertical A lignment

Los vínculos principales en el trazado en planta de los caminos internos de los parques eólicos surgen, en general, del tamaño excepcional de las palas de los aerogeneradores.

The two most common conditioning factors for vertical road alignment in wind farms are the maximum gradient and the radius in vertical transition curves, particularly in convex curves.

Ya casi no existen en el mercado palas con longitud inferior a los 40 metros y en la industria hay una clara tendencia a modelos con tamaño de rotor mayor. Por esta razón, en zonas con una orografía complicada o una elevada densidad de estructuras, cada curva se convierte en un desafío: el área barrida por las palas suele obligar a una cuidadosa planificación para minimizar el coste de la obra. En general, casi todas las empresas especialistas en el sector suelen utilizar softwares como AutoTURN, AutoPath, etc. Estos programas permiten simular el recorrido que tendrá el camión y la pala durante todo su recorrido. Aunque la precisión del resultado dependa de muchas variables (la calidad de la topografía, el algoritmo de simulación utilizado, y por último, pero no menos importante, la habilidad del conductor) en general se trata de la mejor opción disponible para los proyectistas. En cualquier caso, antes del primer viaje de las palas, se suele hacer una prueba “en vacío” (o sea, con el camión y un objeto, como por ejemplo una viga, que simula la presencia de la pala).

The vertical radius must ensure a minimum clearance between the lowest point on a lorry carrying wind turbine components and the road pavement.

4. V ínculos Geométricos

Perhaps counterintuitively, the most hazardous stretches are generally steep, prolonged downhill gradients due to the difficulty involved in braking when a lorry is loaded with exceptionally heavy equipment such as nacelles or drivetrains.

en

A lzado

En el trazado altimétrico de los caminos de los parques eólicos suele haber dos vínculos principales: el radio de los acuerdos verticales –sobre todo los acuerdos convexos– y la pendiente máxima. Por lo que se refiere al radio vertical, es necesario garantizar una distancia mínima entre el punto más bajo de los camiones que transportan los componentes de los aerogeneradores y el firme del camino. Aunque existan distintos modelos de vehículos especiales, los

Although special vehicles come in different sizes and shapes, the most crucial types are blade trailers (‘blade runners’) and low loaders for nacelles. Modelling the behaviour of such vehicles is no simple task: low loaders, for instance, may have four, five or even more axles, each of which fitted with its own shock absorbers. Two- and three-dimensional simulations and trial runs in wind farms have revealed that a vertical transition curve (Kv) value of no less than 400 is required to ensure acceptable clearance. Some commercial turbine manufacturers’ technical specifications call for a minimum distance between consecutive vertical transitions. This requirement does not normally need to be envisaged specifically, however, for a suitable Kv value in itself ensures compliance. The maximum gradient depends essentially on the type of vehicles used to transport turbine components.

An 8-9 % gradient is normally the maximum allowed in gravel roads, although values of 14-15 % may be accepted in sections with road oiling, concrete slabs or other special pavements where lorry tyres have greater traction. Fig. 2. Señal de tráfico del camino de acceso de un Parque eólico en la provincia tailandesa de Korat Fig. 2. Traffic sign on a wind farm in the Thai province of Korat 253


CON EL VIENTO A FAVOR

254

WITH A FAIR WIND


X.IV. LA OBRA CIVIL DE LOS PARQUES EÓLICOS

más críticos suelen ser el tráiler de las palas (“portapalas”) y el tren de carga de la nacelle (low-loader). Modelizar el comportamiento de estos vehículos no suele ser una tarea sencilla: el tráiler de la nacelle, por ejemplo, suele tener 4, 5 o incluso más ejes, y cada eje cuenta con sus amortiguadores. Mediante simulaciones bidimensionales y tridimensionales y pruebas en los parques eólicos se ha llegado a la conclusión que el valor mínimo del parámetro del acuerdo vertical (Kv) que garantiza un galibo aceptable es Kv = 400. Las especificaciones técnicas de algunos fabricantes de turbinas en el mercado exigen una distancia mínima entre acuerdos verticales consecutivos. Este vínculo no suele ser necesario, ya que un valor suficiente del Kv garantiza por sí mismo que se cumpla este requerimiento. La pendiente máxima depende fundamentalmente del tipo de vehículos que se utilizarán para transportar los componentes de las turbinas. Aunque parezca poco intuitivo, los puntos más peligrosos suelen ser aquellos con bajadas fuertes y prolongadas, debido a la dificultad de frenar cargas excepcionales como la nacelle o el tren de transmisión. Se suelen aceptar pendientes máximas del orden del 8%-9% en tramos con caminos de zahorra, pudiendo subir este valor hasta el 14%-15% en tramos con firmes especiales (riegos de imprimación bituminosa, losas de hormigón, etc.) que permitan una mejor tracción de las ruedas de los camiones.

5. Plataformas

de

M ontaje

La función de las plataformas de montaje es permitir el acopio y la preparación de los distintos componentes del generador (tramos de torre, palas, buje, nacelle, etc.) y el montaje en condiciones de seguridad adecuadas. Generalmente se suele trabajar con una grúa principal que levantará los componentes a la cota necesaria y una o más

CIVIL WORKS IN WIND FARMS

5. A ssembly Platforms Assembly platforms are areas for storing, preparing and assembling wind turbine components (tower modules, blades, hub, nacelle and so on) in suitably safe conditions. Normally, the main crane hoists the components to the necessary elevation, aided by one or more secondary cranes that help turn the elements to the required position. A wide variety of technical solutions are in place for assembly platforms. Most are rectangular and sized to be able to temporarily all wind turbine components. Other less usual geometries can be found in some countries, however, such as trapezoidal and circular platforms in France and the United States, respectively. Temporary on-site storage areas may also be envisaged at some distance from the turbines. This solution normally entails delays and additional cost due to duplications in component handling (need for additional cranes) and the use of special transport lorries, as well as longer crane rental times. In wind farms where earthworks have a heavy impact on the cost per MW (and consequently on the return on investment), finding the minimum point where their cost (which rises with platform size) intersects with installation costs (which decline with platform size) is a highly recommended exercise. Platforms generally have the same cross-section as internal roads, although where the soil’s bearing capacity is insufficient, the area bearing the main crane is usually strengthened. Whilst turbines that require grade-level assembly of the rotor (hub plus the three blades) are still on the market, this procedure takes up considerable space and renders assembly particularly difficult in mountain areas. (izquierda / opposite) Fig. 3. Parque eólico en Adelaide, al sur de Australia Fig. 3. Wind farm at Adelaide in the southern Australia 255


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

grúas secundarias de retenida que ayudan la grúa principal a voltear los componentes y a orientarlos correctamente. También por lo que se refiere a las plataformas de montaje hay una enorme variedad de soluciones técnicas. Por lo general las plataformas suelen ser rectangulares y tener un tamaño que permita el acopio temporal de todos los componentes del aerogenerador. Sin embargo, dependiendo del país, se encuentran también geometrías más inusuales como plataformas trapezoidales (Francia) o circulares (Estados Unidos). También existe la posibilidad de trabajar con zonas de acopio alejadas de los aerogeneradores. En general esta solución conlleva retrasos y costes adicionales debido a la doble manipulación de las piezas (necesidad de contratar grúas adicionales), ulteriores viajes de los camiones especiales y más días de alquiler de la grúa principal. En parque eólicos donde los movimientos de tierras tengan un fuerte impacto en el coste por MW (y por tanto, en la rentabilidad de la inversión) es aconsejable hacer un ejercicio de búsqueda del punto mínimo de la suma de los costes de movimiento de tierras (que suben al aumentar el tamaño de las plataformas) y de los costes de instalación (que bajan al aumentar el tamaño de las plataformas). Es usual que tengan la misma sección transversal de los caminos internos del parque, aunque en zonas donde el terreno no garantiza una capacidad portante suficiente se suele reforzar la zona de apoyo de la grúa principal. Es interesante resaltar que siguen existiendo en el mercado turbinas que necesitan ensamblar el rotor (buje y las 3 palas) en el suelo, una solución que exige una importante cantidad de espacio y puede dificultar enormemente el montaje en zonas de montaña.

Fig. 4. Acuerdos verticales Fig. 4. Geometry of vertical alignments 256


X.IV. LA OBRA CIVIL DE LOS PARQUES EÓLICOS

6. Drenajes La razón más frecuente del fracaso de la obra civil en los parques eólicos suele ser un deficiente estudio del drenaje. Incluso en áreas relativamente poco lluviosas suelen presentarse fenómenos de “flash flood” (inundaciones que ocurren de forma rápida e imprevista). Es el caso por ejemplo de los wadi, cauces secos muy frecuentes en la península arábiga (por ejemplo en Gabel El Zeit, un área en Egipto donde se encuentran en vía de desarrollo numerosos importantes proyectos eólicos. También en la península ibérica pueden darse combinaciones de zonas con sustratos prácticamente impermeable y periodos de intensas lluvias. Es lo que se puede observar en la zona de Tarifa, donde se construyeron muchos de los primeros parques eólicos debido a las condiciones de viento muy buenas sin dedicar suficiente atención al drenaje. Por esta razón, muchos parques con tan solo 4 o 5 años de vida ya necesitan nuevas, y en ocasiones, ingentes inversiones. En general para el drenaje de los parques eólicos suelen emplearse las soluciones estándar de los proyectos de carreteras: tubos en PVC u hormigón, cunetas en tierra o revestidas, marcos. Cuando sea necesario, en los escenarios más complicados, suelen usarse soluciones especiales como taludes revestidos con hidrosiembra, mantas orgánicas anti erosión, trampas de sedimentos o drenajes temporales. 7. Soluciones E speciales en la O bra C ivil Hay un abanico bastante grande de tecnologías especiales que se han empleado en los parques eólicos en el pasado: estabilización con cal u hormigón, uso de geotextiles, geomallas, geoceldas y otros materiales sintéticos, vibro compactación, jet grouting y muchas otras. Uno de los problemas más frecuentes, sobre todo en los mercados emergentes, es que una tecnología de amplia utilización en Europa puede tener escasa o nula aplicación en otros continentes.

CIVIL WORKS IN WIND FARMS

6. Drainage The most common cause of civil works failure in wind farms is deficient analysis of drainage needs. Flash flooding, for instance, may occur even in fairly dry areas. Such events may be expected in ‘wadi’, the dry river beds strewn across the Arabian Peninsula (such as in Gabel El Zeit, an area of Egypt where a number of large wind projects are underway). The Iberian Peninsula is also characterised by areas where nearly impermeable soil concurs with intense rain. Such is the case in and around Tarifa, where many of the earliest wind farms were built to capitalise on the favourable wind conditions but where insufficient attention was paid to drainage. As a result, many farms that are a mere 4 or 5 years old now require additional, often costly investment. The standard drainage solutions in place for road design are generally applicable to wind farms: PVC or concrete pipes, rammed earth or lined gutters and box culverts. In more complex scenarios, special solutions may also be used in slopes, including hydroseeding, pre-seeded erosion control blankets, sediment traps or temporary drainage. 7. S pecial C ivil W orks S olutions A wide spectrum of special technologies has been deployed in wind farms in the past: lime or concrete stabilisation, geotextiles, geowebs, geocells and other synthetic materials, vibro-compaction, jet grouting and many others. One of the problems most commonly encountered, particularly in emerging economies, is that technologies widely used in Europe may be applied barely or not at all on other continents. Lime stabilisation is highly infrequent in Uruguay, for instance, where the number of wind turbines grew rapidly between 2010 and 2015. When trained personnel and the necessary machinery are difficult to find, other solutions more in keeping with local custom should be the option of choice. 257


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

50,30 m

(abajo / below) Fig. 5. Trailer transportando una grúa de montaje Fig. 5. Crane transport on flat trailer (derecha / opposite) Fig. 6. Grúa para elevación de palas Fig. 6. Blade lifter

18 m 45,92 m

8. S pecial

transport solutions

One promising technology that is gradually gaining acceptance is the blade lifter. This machinery, based on a system of hydraulic jacks, lifts a blade lying on a trailer from the horizontal to a nearly vertical position, at up to a 60-degree angle. While not problem-free (cost of machinery, need to drive at much lower speeds, the complexities involved in the 3D simulation of combined trailer and blade movements), the 258


X.IV. LA OBRA CIVIL DE LOS PARQUES EÓLICOS

CIVIL WORKS IN WIND FARMS

Por ejemplo, la estabilización con cal es muy poco frecuente en Uruguay, país que entre 2010 y 2015 ha experimentado un rápido crecimiento del número de turbinas instaladas. En casos donde sea complicado encontrar personal formado y la maquinaria necesaria será conveniente decantarse por otra solución más común en la zona.

8. Soluciones E speciales

en el

Transporte

Una interesante tecnología que se está expandiendo paulatinamente es la del “blade lifter” o levantador de palas. Se trata de una maquinaria que, con un sistema de gatos hidráulicos, permite levantar la pala sobre el tráiler desde la posición horizontal hasta una posición casi vertical, con ángulos que pueden llegar a los 60 grados. Aunque esta solución no está exenta de problemas (el coste de la maquinaria, la necesidad de conducir a velocidades sustancialmente más reducidas, la dificultad de simular correctamente el movimiento conjunto de tráiler y pala en 3D) los ahorros son evidentes, sobre todo en parques extremamente complicados. Por esta razón es razonable esperar una mayor difusión de esta tecnología. Para tener un orden de magnitud, levantando una pala de 52 metros a 60° el diámetro barrido se reduce a tan solo 26 metros. Existen también otras soluciones más espectaculares, como el transporte en helicóptero o en dirigible. Desafortunadamente los precios de estos transportes especiales son tan elevados que casi nunca son rentables económicamente, así que se trata de casos muy raros.

Fig. 7. Camino de acceso de un Parque Eólico en Cantabria Fig. 7. Wind farm access road in the northern Spanish province of Cantabria (pág. siguiente/overleaf) Figs. 8 & 9. Montaje de la pluma de una grúa Figs. 8 & 9. Boom assembly on main crane 259


CON EL VIENTO A FAVOR

260

WITH A FAIR WIND


X.IV. LA OBRA CIVIL DE LOS PARQUES EÓLICOS

CIVIL WORKS IN WIND FARMS

261


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

9. A spectos E conómicos Parques E ólicos

de la

O bra C ivil

en los

Resulta muy complicado trabajar con precios “tipo” en lo que a la obra civil de los parques eólicos respecta. En los proyectos eólicos se suele distinguir entre el precio de las turbinas y el precio de lo que es el “Balance of Plant” (BoP), o sea todos aquellos trabajos civiles y eléctricos necesarios para completar el parque. El BoP suele comprender caminos, plataformas, cimentaciones, zanjas y cables de media tensión, subestación y línea de evacuación, aunque ciertos elementos pueden no estar presentes dependiendo del proyecto concreto: por ejemplo en una extensión de un parque existente no suele ser necesario realizar una nueva subestación o una nueva línea de evacuación de la energía. Actualmente, el precio de las turbinas on-shore ronda el millón de euros por megavatio. O sea, las turbinas para un parque de 50 MW pueden costar unos 50 Millones de euros. A esta cantidad hay que añadir el BoP, con un coste por MW que suele encontrarse en una horquilla entre 100 000 € y 200 000 €. Costes superiores a los 300 000€ por MW pueden poner en peligro la factibilidad del proyecto, mientras que valores inferiores a los 100 000 € por MW suelen darse solo en casos excepcionales. Es usual que la obra eléctrica sea algo más cara de la obra civil. Por lo que se refiere a la obra civil, como orden de magnitud, el 50% de la inversión es imputable a las cimentaciones mientras que el otro 50% se puede atribuir a caminos, plataformas y zanjas para los cables de media tensión. Sin embargo estos valores pueden modificarse radicalmente en los casos donde sean necesarias actuaciones especiales para las cimentaciones (pilotes in situ o prefabricados, substitución de suelos, etc.) o para los caminos (por ejemplo donde la capacidad portante del suelo resulte muy escasa). 262

solution entails obvious savings, especially in farms where conditions are extremely complex. The use of this technology is consequently expected to grow. By way of example, lifting a 52-metre blade by 60° reduces the diameter swept to a mere 26 metres. Other more spectacular solutions are also in place, such as transport in helicopters or dirigibles. Unfortunately, the price of such special facilities is normally too high to be cost-effective and hence they are very seldom used.

9. E conomic Factors Farms

affecting

C ivil W orks

in

W ind

‘Standard’ prices are very difficult to establish for wind farm civil works. Wind energy designs generally distinguish between the cost of turbines and the ‘balance of plant’ (BoP) costs, i.e., of all the civil and electrical works needed in a finished farm. The BoP normally includes roads, platforms, foundations, ditches and medium-voltage cables, the substation and the overhead line and grid connection, although some elements may be missing depending on the project: in enlargements of existing farms, for instance, neither the substation nor the overhead grid connection is usually necessary. At this writing, the price of onshore turbines stands at around one million euros per megawatt. In other words, it costs around 50 million euros to build the turbines for a 50-MW farm. BoP costs have to be added to that figure, at around €100 000 to €200 000 per MW. Costs of over €300 000/MW may jeopardise project feasibility, whereas values of under €100 000 are only exceptionally achieved. Electrical works usually have a higher price tag than civil construction. Of the latter, about 50 % is attributable to foundations and


X.IV. LA OBRA CIVIL DE LOS PARQUES EÓLICOS

10. Los C inco E rrores más Frecuentes C ivil los Parques E ólicos

en la

O bra

A pesar de la ingente inversión necesaria para realizar una obra de este tipo no es infrecuente encontrar serios problemas en la obra civil, en fase de proyecto o en la obra. A continuación se citan los cinco errores que se suelen observar con más frecuencia. 1. Incorrecta (o inexistente) definición del drenaje Hay muchos parques que con 2 o 3 años de vida ya necesitan nuevas inversiones para volver a acondicionar los caminos internos. Esto desata interminables discusiones entre las partes involucradas (proyectista, empresa constructora, propiedad) para atribuir la responsabilidad del problema. Lo más frecuente es que nadie se haya encargado de un estudio hidrológico para definir la ubicación y el tamaño de las obras de drenaje. Sin embargo, no siempre es culpa del ingeniero que firma el proyecto: en muchos casos se intenta construir el parque utilizando planos de proyectos preliminares, redactados a una escala y con un nivel de detalle no apropiado. 2. Plataformas y caminos internos a cotas diferentes Aunque parezca increíble en proyectos de este tamaño, a veces los proyectistas ni se preocupan de verificar que las plataformas y los caminos que tienen al lado tengan la misma cota. 3. Incorrecta definición del paquete de firme Otro problema bastante frecuente es que se defina la tipología de firme “a ojo”, sin disponer de información geotécnica que avale la elección. Lo más normal, para una partida tan importante, sería encargar los estudios necesarios (CBR, granulometría, óptimo de Proctor, etc.).

CIVIL WORKS IN WIND FARMS

the other 50 % to roads, platforms and medium voltage cable ditches. Nonetheless these values may change radically where special works are needed for foundations (such as cast-in-place or precast piles, soil replacement) or roads (to compensate for low soil bearing capacity, for instance).

10. The Five M istakes Farm C ivil W orks

most commonly made in

W ind

Despite the vast investment required for civil works in wind farms, severe design or construction flaws are not uncommon. The five mistakes most frequently encountered are discussed below. 1. Unsatisfactory (or non-existent) provision for drainage Many a farm has needed further investment after just 2 or 3 years of service to re-condition internal roads. This prompts endless argument among the parties concerned (designer, builder, owner) over where the responsibility lies. More often than not, no-one thought to commission a hydrological survey to position and dimension the drainage facilities. Nonetheless, the fault does not always lie with the engineer who authored the design: farms are often built using preliminary design drawings drafted on a level of detail inappropriate for such use. 2. Differences in internal platform and road elevations Hard to believe as it is, given the scale of these projects, designers sometimes fail to verify that the platforms and the roads alongside them are built on the same elevation. 3. Unsuitable pavement typology Another fairly common problem is that pavement typology is fruit of a ‘guestimate’, unendorsed by any manner of geotechnical data. 263


CON EL VIENTO A FAVOR

264

WITH A FAIR WIND


X.IV. LA OBRA CIVIL DE LOS PARQUES EÓLICOS

4. Curvas no calculadas correctamente En este caso, el proyectista se limita a preguntar cuál es el radio mínimo, aunque este valor no es univoco (de hecho, depende de numerosas variables, entre las cuales se encuentra, por ejemplo, el ángulo entre la tangente de entrada y de salida a la curva). 5. Ancho de camino insuficiente En más de un caso, el promotor pidió permisos medioambientales (y firmó contratos de arrendamiento con los dueños de las parcelas) para “hacer un camino de 5 metros”. Sin embargo, se trata de 5 metros útiles. Entre el espacio que ocupan los desmontes, los terraplenes, las cunetas y las zanjas de cable el valor final suele ser sustancialmente superior.

CIVIL WORKS IN WIND FARMS

Since this is such a sizeable budget item, best practice would call for conducting any and all necessary surveys (CBR, particle size distribution, Proctor test...). 4. Miscalculated curves Here the mistake is to confine the design to the reported minimum radius, a value that is not unequivocal, but rather depends upon many variables including, for instance, the angle between the approach and end straights on a curve. 5. Insufficient road width All too often, developers apply for environmental permits (and sign leases with lot owners) to build a ‘5-metre road'. That value refers, however, to the net width: the gross width, i.e., adding in the space needed for grading, embankments, gutters and cable ditches, is substantially greater.

(izquierda / opposite) Fig. 10. Puesta de sol en un parque eólico en USA Fig. 10. Sunset over a wind farm in the USA 265


266


10.5 DE LAS RACHAS AL AMPERIO. LA INGENIERÍA ELÉCTRICA EN LOS PARQUES EÓLICOS FROM GUST TO AMPERE. ELECTRICAL ENGINEERING IN WIND FARMS MIGUEL ÁNGEL RUIZ & RAMÓN SAGARRA

1. C ontexto C onceptual el Á mbito E ólico

de la

E nergía E léctrica

en

Cuando uno en medio de una comida familiar o una tarde con amigos habla de su trabajo en el ámbito de la energía eólica, se da cuenta enseguida de cómo está presente esta tecnología en el imaginario popular. La gente pregunta asombrada sobre estos gigantes (con permiso de Miguel de Cervantes) de acero y hormigón que coronan cumbres montañosas y planicies, cosechando el viento y transformándolo en una energía limpia, barata y accesible. Curiosos, plantean cuestiones sobre cómo consiguen transportar esas enormes piezas hasta los emplazamientos, cómo montan todos los componentes a grandes alturas y bajo fuertes ráfagas de viento o inquieren sobre datos y argumentos leídos en revistas y escuchados en televisión a favor y en contra de esta tecnología. Incluso sonríen cuando uno, fruto de la deformación profesional y tras escuchar varias veces la palabra molino, les explica que se llaman aerogeneradores, escuchando atentamente las anécdotas que yo, con mi todavía breve experiencia, puedo a bien explicarles. Sin tan siquiera darse cuenta, han mencionado un concepto clave: la energía. Este concepto, habitualmente eclipsado en las conversaciones por el tamaño de las torres con decenas de metros de altura, la técnica detrás de la construcción de una pala o la valentía de los técnicos que realizan las tareas de mantenimiento suspendidos a decenas de metros y con condiciones meteorológicas adversas, no es otro que la energía eléctrica. Construimos parques eólicos nada más y nada menos que para generar electricidad de forma limpia, a un coste bajo y al alcance de todos.

1. W ind Farm E lectrical E ngineering

in

C ontext

It is not until we wind energy engineers talk to family or friends about our work that we realise how deeply that technology has impacted public opinion. People are generally astonished by those steel and concrete ‘giants’ (in conscious or unconscious tribute to Miguel de Cervantes) that crown mountains and dot plains, harnessing the wind and transforming it into clean, cheap and accessible power. They are curious to know how such huge components could have been transported to their present site and assembled against strong gusts of wind; or they ask about facts and figures read in magazines or heard on television in favour or against the technology. They may even smile condescendingly when, out of professional zeal, we explain that what the public at large calls ‘mills’ are actually ‘wind turbines’. They nonetheless tend to listen attentively to our accounts of incidents and stories around these extraordinary structures. And all the while they, unknowingly, have touched on a key conceit: power. That notion, usually eclipsed in conversations about towers several tens of metres tall, the techniques involved in building a blade or the courage of the maintenance technicians who work at those heights in adverse weather, is none other than electric power. We build wind farms for one reason and one reason only: to generate clean, universally accessible electricity at a low cost. Ensuring optimal operating conditions in a wind farm calls for coordinating all the fields of engineering involved in the design and construction of these facilities. A wind farm cannot be designed in airtight compartments, but rather must elicit 267


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Conseguir las mejores condiciones de funcionamiento en un parque eólico requiere el trabajo conjunto de todas las disciplinas de la ingeniería involucradas en el diseño y construcción de estas instalaciones. El diseño de un parque eólico no debe realizarse en compartimentos estancos, sino que debe ser fruto de un diálogo constante entre las distintas especialidades involucradas que permita maximizar el rendimiento de los distintos aerogeneradores, reducir la inversión y generar la mayor cantidad de energía eléctrica posible. Ser un ingeniero eléctrico en una gran empresa de ingeniería civil me ha hecho tener muy clara esta idea. No obstante, ocurre a veces que por desconocimiento de los implicados o incluso porque el cliente prioriza disciplinas técnicas respecto a otras, se producen situaciones complicadas que obligan a revisar el diseño a posteriori y a incrementar los plazos de desarrollo que son ya de por sí muy ajustados. Aerogeneradores ubicados inicialmente en un terreno de acuerdo a un exhaustivo estudio del recurso eólico que deben ser movidos de sitio porque el acceso mediante viales a estas posiciones resulta técnica y/o económicamente inviable, caminos que deben ampliarse o modificarse porque no se ha tenido en cuenta el espacio que ocupan las zanjas de cables que discurren adosadas a ellos o sistemas de puesta a tierra que deben incrementarse sustancialmente en material (y consecuentemente, en coste) como consecuencia de unos parámetros geotécnicos de partida generalistas, son algunos de estos ejemplos. Este capítulo trata, precisamente, el cómo, el por qué, el con quién, el cuánto y el cuándo de la generación de energía eléctrica en parques eólicos. Nuestro objetivo no es otro que reivindicar el papel de la ingeniería eléctrica en un imaginario popular que tiende a considerar la electricidad como un aspecto excesivamente complicado, una especie de “magia” que simplemente ocurre y que se da por resuelta. La generación de energía eléctrica constituye el producto final de cualquier empresa eólica en el mundo entero, por lo que resulta esencial comprender los principales fenómenos, equipos, componentes y metodologías 268

ongoing dialogue among the specialists involved to maximise wind turbine performance, reduce investment costs and generate the greatest possible amount of electric power. As an electrical engineer in a large civil engineering firm I have fully assimilated that idea. Nonetheless, sometimes due to inexperience or the client’s tendency to prioritise certain technical disciplines over others, complications arise that entail design revisions a posteriori, squeezing already tight schedules. Examples of such complications include wind turbines (initially sited in locations chosen on the grounds of exhaustive wind resource studies) that have to be relocated because road access is not technically or economically feasible; roads that need to be widened or re-mapped because no account was taken of the area occupied by the roadside ditches that house the power cables; or earthing systems that need to be reinforced (at extra cost) because general purpose geotechnical rather than site-specific parameters were applied. This chapter addresses how, why, with whom, how much and when electric power should be generated in wind farms. We aim to enhance public awareness of the role of electrical engineering, for electricity is often viewed as an overly complex, almost ‘magical’ phenomenon that is nonetheless largely taken for granted. As generating electric power is the ultimate aim of wind energy companies the world over, its main developments, facilities, components and design methods must be understood to ensure optimal wind farm design and encourage dialogue among the various disciplines participating in this type of projects. Our hope is that this overview of wind energy-related electrical technology will pique readers’ curiosity, prompting them to explore the field further. By way of a closing to this brief prologue, allow me to thank them for their attention with a quote from William Faulkner: Gratitude is a quality similar to electricity; it must be produced and discharged and used up in order to exist at all.


X.V. DE LAS RACHAS AL AMPERIO • FROM GUST TO AMPERE

de diseño que permitan diseñar el parque eólico de la mejor forma posible, facilitando el diálogo entre las distintas disciplinas que conviven en este tipo de proyectos. Esperemos que al terminar este capítulo, el lector haya conseguido una primera imagen de la técnica eléctrica en el ámbito eólico que encienda su curiosidad y constituya el punto de partida de un mayor aprendizaje futuro. Antes de entrar en materia, terminamos agradeciendo la atención prestada, para lo que parafrasearemos si nos permiten al gran William Faulkner: “La gratitud es una cualidad similar a la electricidad: debe ser producida, descargada y utilizada con el fin de existir del todo.”

2. C osechando el Viento. G eneración E léctrica en A erogeneradores

de

Energía

2.1 Fundamentos eléctricos de la generación de energía eólica El diseño de las palas de un aerogenerador permite captar parte de la energía cinética del viento y convertirla en energía mecánica mediante el giro de un eje horizontal llamado rotor. Sin embargo, ¿cómo convertimos esta energía mecánica en energía eléctrica? La respuesta a esta pregunta es el generador eléctrico. Tirando de enciclopedia, podemos definir el generador eléctrico como una máquina que transforma energía mecánica de rotación en energía eléctrica mediante la interacción entre una parte fija, denominada estátor, y una parte móvil, el rotor (Figura 1). Los generadores eléctricos se dividen en alternadores y dinamos. Los alternadores generan energía eléctrica en forma de corriente alterna, mientras que en las dinamos la generación de energía eléctrica se produce en forma de corriente continua. Se cuenta que, estando Albert Einstein reunido con un periodista, el primero le preguntó: ¿Me puede usted explicar la Ley de la Relatividad? El científico respondió con una nueva pregunta: ¿Me puede usted explicar cómo se fríe un huevo?

2. Harnessing the Wind. Electric Power Generation in W ind T urbines 2.1 Fundamentals of electric power generation from wind energy Wind turbine blades are designed to harness part of the wind’s kinetic energy and convert it into mechanical energy by turning a horizontal axis called a rotor. But how is that mechanical energy converted into electric power? The answer to that question lies in electric generators. Drawing from the encyclopaedia, an electric generator can be defined as a machine that transforms rotary mechanical energy into electric power through the interaction between a stationary element, the stator, and a mobile component, the rotor (Fig. 1). Electrical generators are divided into alternators and dynamos. Alternators generate electric power in the form of alternating current whereas dynamos generate direct current. Legend has it that during an interview, Albert Einstein was asked by a journalist if he could explain the theory or relativity. Einstein replied by asking the interviewer if he could explain how to fry an egg. Surprised by the German physicist’s

Eje / Shaft

Rotor / Rotor Estátor / Stator Fig. 1. Rotor y estátor de un generador eléctrico Fig. 1: Generator rotor and stator 269


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Extrañado ante la respuesta del físico alemán, el periodista contestó afirmativamente, a lo cual Einstein replicó: “Bueno, pues hágalo pero imaginando que yo no sé lo que es un huevo, ni una sartén, ni el aceite, ni el fuego”. Sin darme cuenta, me he comportado como aquel periodista explicando al lector el generador eléctrico a través de los conceptos de la corriente alterna y la corriente continua, de obligada explicación. Aunque la electricidad como fenómeno se conocía ya desde siglos anteriores, no fue hasta el año 1800 cuando el físico italiano Alessandro Volta inventó la primera pila eléctrica y consiguió confinar un flujo de carga eléctrica en un circuito cerrado. Años después, y a raíz del descubrimiento del Efecto Hall por el físico estadounidense Edwin Herbert Hall, se comprobó que los portadores de carga en los metales son los electrones. La corriente o intensidad eléctrica es, por tanto, un flujo de cargas eléctricas que discurren por un material conductor con una resistencia determinada (medida en Ohmios [Ω]), y en cuyos extremos existe una diferencia de potencial, también denominado tensión o voltaje y medido en Voltios [V]. La corriente eléctrica se mide físicamente en Amperios [A], siendo 1 amperio el paso de una carga eléctrica de 1 culombio [C] atravesando un material conductor durante un segundo. La potencia eléctrica será el producto del voltaje y la corriente, y se medirá en vatios [W]. Multiplicando la potencia por una unidad de tiempo se obtiene la energía, que en el ámbito eléctrico se cuantifica en vatios-hora (W· h) y sus múltiplos. Comprender físicamente estos fenómenos no es tarea sencilla, por lo que habitualmente se utiliza en su explicación la analogía con el agua. Imaginemos un circuito cerrado formado por una bomba que empuja el agua por el interior de unas tuberías que forman un circuito cerrado. La corriente eléctrica se comporta de forma similar al agua dentro de esta tubería, pudiendo establecer ciertas analogías entre los elementos. Las tuberías de agua se corresponderían con el hilo conductor, ya que por ellas circula el flujo de agua y electricidad, respectivamente. La presión generada por la bomba de agua sería equivalente al 270

response, the journalist replied affirmatively, to which Einstein said: ‘Fine, go ahead, but imagine that I don’t know what an egg is, or a frying pan or oil or fire.’ Unwittingly, I’ve just fallen into the journalist’s trap, trying to explain what an electric generator is based on alternating and direct current, which I should have defined first. Although the existence of electricity was known centuries before, it was not until 1800 when Italian physicist Alessandro Volta invented the first electric battery and managed to confine a flow of electric current in a closed circuit. Years later, in the wake of the discovery of the Hall effect by U.S. physicist Edwin Herbert Hall, electrons were identified as the entities that carry the charge in metals. Electric current is, then, a flow of electric charges that run through a conductor material. The resistance of the material to that flow (measured in ohms [Ω]) induces a difference in electric potential (called voltage and measured in volts [V]) at the two ends of the conductor. Electric current is measured physically in amperes [A], 1 ampere being equivalent to a 1-coulomb [C] electric charge flowing through the crosssection of a conductor in one second. Electric power, the product of voltage times current, is measured in watts (W). Energy, in turn, is power per unit of time and where electricity is concerned, is expressed in watt-hours (W· h) or its multiples. As mentally visualising these phenomena is not easy, they are often explained by analogy to water. Imagine a closed circuit consisting in pipes through which a pump drives water. Since electric current behaves much like the water in those pipes, certain analogies can be drawn. The water pipes would play the same role as the conductor, i.e., the element through which water or electricity flows. The pressure generated by the pump would be equivalent to the voltage or difference in potential in the battery, for it ‘drives’ the water through the pipes just as voltage induces the flow of electric current. The flowrate of the water circulating in the pipes [litres/ second] would be the electric current [C/s]. Lastly, the resistance of the pipes to the circulation of the water (generating


X.V. DE LAS RACHAS AL AMPERIO • FROM GUST TO AMPERE

voltaje o diferencia de potencial de la pila, ya que empuja el agua a través de las tuberías de igual forma que el voltaje induce el paso de corriente. El caudal de agua que circula por las tuberías [litros/segundo] sería la corriente eléctrica [C/s]. Finalmente, la resistencia de las tuberías al paso de agua (generando una diferencia de presión entre un extremo y otro por efecto de la pérdida de carga debido al rozamiento), se correspondería con la caída de tensión provocada por la resistencia del conductor al paso de la corriente eléctrica, de acuerdo a los principios de la Ley de Ohm. La corriente eléctrica que circula por un circuito cerrado puede ser de dos tipos: –– Corriente continua (CC): es el flujo de carga eléctrica en el interior de un conductor sometido a una diferencia de potencial que no cambia de sentido con el tiempo. Los electrones de un circuito eléctrico de corriente continua van siempre en la misma dirección, desde el polo positivo al polo negativo de la batería. Esta es la corriente que utilizamos en móviles, juguetes y excepcionalmente en gran transporte de energía. –– Corriente alterna (CA): es el flujo de carga eléctrica en el interior de un conductor en el que la intensidad y el sentido de circulación de los electrones se modifica en el tiempo con una frecuencia determinada. Esta frecuencia se mide en [Hz] y, para el caso particular de España, fijada en 50 Hz, se corresponde a 50 periodos por segundo (un periodo completo cada 0.02 segundos). Es la corriente que tenemos en los enchufes de nuestra casa y la que se utiliza de forma generalizada. Entender el significado físico de la corriente continua y alterna no es fácil, por lo que se suele utilizar nuevamente un símil hidráulico para explicar la diferencia entre ambos. Tal y como muestra la Figura 2, un circuito de corriente continua que alimenta una bombilla incandescente podría ser equivalente a un montaje hidráulico formado por una bomba y una rueda hidráulica conectadas mediante tuberías que delimitan un

a difference in pressure between the two ends due to frictioninduced head loss) would be analogous to the voltage drop prompted by the conductor’s resistance to the flow of electric current, further to Ohm’s law. Two types of electric current can circulate in a closed circuit. –– Direct current (DC) is current that flows in one direction only (it does not change direction over time). The electrons in a direct current circuit always flow in the same direction, from the battery’s positive to its negative pole. This is the type of current used in mobiles, toys and exceptionally in ultra-high voltage transmission. –– Alternating current (AC) is electric current in which the flow of electric charge reverses direction at a given frequency. That frequency is measured in Hertz [Hz]. In Spain, for instance, it is 50 Hz, or 50 periods per second (one full period every 0.02 seconds). This is the current found in domestic outlets and used on a routine basis the world over. Corriente continua Direct current (DC)

Corriente alterna Alternating current (AC) 2

1

V, I 1. Bomba hidráulica Water pump 2. Rueda hidráulica Water wheel 3. Pistón Piston

2

3 (DC)

(AC)

Amplitud Amplitude

Tiempo Time

Período /Period

Fig. 2. Tensión e intensidad en corriente continua (DC) y alterna (AC) Fig. 2. Voltage (V) and direct (DC) and alternating (AC) current 271


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circuito cerrado. La bomba hace circular el agua siempre en el mismo sentido de igual forma que los electrones se mueven desde el polo positivo al negativo en un circuito eléctrico. La rueda hidráulica girará por efecto de la circulación del agua a través de ella y lo hará en un mismo sentido, de igual forma que se ilumina la bombilla como consecuencia del paso de la corriente por su filamento incandescente. Si alimentamos ahora esta bombilla con corriente alterna, se produce una diferencia sustancial. En su equivalente hidráulico, la bomba hidráulica ya no hace circular el agua en una misma dirección, sino que cambia de sentido como efecto de la subida y bajada del émbolo. La rueda hidráulica efectivamente gira, pero lo hace ahora en dos sentidos: cuando el émbolo sube, en sentido antihorario, y cuando el émbolo baja, en sentido horario. Lo mismo ocurre en el caso de la bombilla, pues la corriente atraviesa el filamento primero en un sentido y después en otro, encendiéndola. En este punto el lector seguramente tenga una pregunta muy razonable: si la corriente alterna cambia de dirección constantemente, ¿no se apaga la bombilla en el momento del cambio de sentido? Es decir, ¿no hay un pequeño instante en el que la rueda no gira, justo antes de cambiar de dirección? De hecho, no puede estar más en lo cierto. Una bombilla iluminada con corriente alterna a 50 Hz se enciende y apaga 100 veces cada segundo (es decir, una vez cada 0.01 segundos), simplemente que esto sucede tan rápido que el ojo humano es incapaz de notarlo del mismo modo que cuando vamos al cine no percibimos los fotogramas que componen la película. La existencia de estos dos tipos de corriente eléctrica supuso una carrera sin precedentes a finales del siglo XIX, entre los partidarios del uso de la corriente continua con Thomas Alva Edison y J. P. Morgan como principales defensores y la distribución de corriente alterna defendida por George Westinghouse y Nikola Tesla (para muchos, nosotros incluidos, una de las mentes más brillantes de la historia de la humanidad), conocida como la Guerra de las Corrientes. La facilidad de trans272

A water-based simile is again used to get a better grasp on the physics of direct and alternating current. As Figure 2 shows, a direct current circuit that powers an incandescent light bulb could be equated to a hydraulic assembly consisting in a pump connected to a waterwheel by pipes forming a closed circuit. The pump makes the water consistently circulate in the same direction, just as electrons move from the positive to the negative poles in an electric circuit. The waterwheel is turned by the force of the water circulating through it, always in the same direction, just as the bulb lights up as the current flows through its incandescent filament. When the bulb is powered with alternating current the difference is substantial. In the hydraulic equivalent, the water is no longer driven in a single direction, but rather reverses under the rise and fall of a piston. The waterwheel continues to turn, but now in two directions: counter-clockwise when the piston rises and clockwise when it drops. Analogously, the current flows across the filament in the light bulb first in one direction and then in the other, turning it on. At this point the reader may well ask a very reasonable question: won’t the light bulb go off for a split second as the alternating current reverses direction? In other words, isn’t there an instant in which the wheel stops turning, just before it changes direction? Absolutely right. A light bulb powered with 50-Hz alternating current goes on and off 100 times per second (i.e., once every 0.01 seconds). It happens so quickly, however, that it is not perceivable by the human eye, any more than each separate frame in a motion picture. The existence of these two types of electric current induced an unprecedented race at the end of the nineteenth century that came to be known as the Current War, waged on the one hand by the advocates of direct current, headed by Thomas Alva Edison and J.P. Morgan, and on the other by the champions of alternating current, most prominently George Westinghouse and Nikola Tesla (for many, these author among them, one of humanity’s most brilliant minds). The ease with which


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formación de la corriente alterna a través de los transformadores y las menores pérdidas eléctricas en la distribución de energía como consecuencia de ésta terminó decantando la balanza de este lado, siendo ésta la configuración existente en la práctica totalidad de los hogares actuales. Esta histórica y desconocida batalla tiene todos los elementos característicos de las mejores historias de ciencia ficción, con laboratorios y experimentos comparables a los de las novelas de Mary Shelley, electrocuciones públicas de elefantas, documentos desaparecidos y misteriosas confiscaciones por iniciativa del FBI a la muerte del científico, entre muchos otros.

alternating current could be transformed and the resulting reduction in electrical losses ultimately weighed the scales in favour of that form of electricity, which is used in virtually all homes today. That historic and largely forgotten battle features all the ingredients of the best science fiction plots, with laboratories and experiments comparable to those described by Mary Shelley, public electrocutions of elephants and documents that went missing or were mysteriously confiscated by the FBI after the death of a scientist, among others (Figs 3-5).

Fig. 3. Electrocución con corriente alterna de la elefanta Topsy por parte de Edison, 1903

Fig. 3. Edison’s electrocution of the elephant Topsy using alternating current, 1903 273


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Fig. 4. Retrato fotográfico de Tesla a la edad de 34 años realizado por Napoleon Sarony, 1890 Fig. 4. Napoleon Sarony’s 1890 photographic portrait of Tesla at the age of 34 (pág. derecha / opposite page) Fig. 5. Fotografía de Tesla trabajando en su laboratorio de Long Island Fig. 5. Photograph of Tesla working at his Long Island laboratory 274


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275


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Regresemos ahora a los generadores. Hemos comentado antes que el alternador genera energía eléctrica en forma de corriente alterna. El principio que rige la generación eléctrica en este tipo de máquinas es la Ley de la Inducción Electromagnética de Faraday planteada por el físico y químico británico Michael Faraday a raíz de sus experimentos en 1831. El físico danés Hans Christian Øersted había descubierto en 1820 que el paso de una corriente eléctrica por un hilo conductor genera un campo electromagnético. La Ley de Faraday se basa en este fenómeno y establece que si introducimos una espira dentro de un campo magnético y la hacemos girar, se inducirá una corriente eléctrica en ésta (generador eléctrico). Alternativamente, si tenemos una espira por la que circula una corriente eléctrica y la introducimos en un campo magnético, la espira comenzará a girar sobre sí misma (motor eléctrico). Cuando giramos la espira dentro del campo magnético, estamos invirtiendo los polos y por tanto variando la tensión generada que oscilará mediante una onda senoidal (como la que tenemos en los enchufes de casa). La corriente inducida dependerá de la cantidad de flujo magnético que la espira puede interceptar. Los generadores de corriente alterna, a su vez, pueden dividirse en dos tipos: –– Generador síncrono: es aquel en el que el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético del estátor. Los generadores síncronos necesitan hacer circular una corriente eléctrica por el rotor para magnetizarlo. Al girar el rotor por acción de una fuerza mecánica (una turbina de vapor, o en el caso que nos ocupa, las palas de un aerogenerador), se induce una corriente eléctrica en los bobinados del estátor. El resultado es una corriente alterna con una frecuencia de oscilación proporcional a la frecuencia o velocidad de rotación del rotor (llamada velocidad de sincronismo) y del número de polos magnéticos. El alternador es un ejemplo típico de generador eléctrico síncrono. –– Generador asíncrono o de inducción: es básicamente un motor de inducción funcionando del revés. Cuando actúa 276

But let’s come back to generators. Alternators were said earlier to generate electricity in the form of alternating current. The principle that governs electric power generation in this type of machines is Faraday’s law of electromagnetic induction, put forward in 1831 by British physicist and chemist Michael Faraday. In 1820 Danish physicist Hans Christian Øersted had discovered that when electric current flows through a conductor it generates an electromagnetic field. Faraday’s law, based on that reality, posits that if a wire coil is placed in a magnetic field and rotated, it induces electric current in that field (electric generator). Conversely, if a coil through which electric current circulates is placed in a magnetic field, the coil begins to rotate (electric motor). When the coil is rotated in a magnetic field, the poles are inverted and consequently the voltage generated varies, oscillating in a sigmoid wave pattern (as in domestic outlets). The current induced depends on the amount of magnetic flow intercepted by the coil. Alternating current generators, in turn, can be classified under two headings. –– In synchronous generators the rotor rotates at the same speed as the magnetic field in the stator. Synchronous generators need to make electric current circulate through the rotor to magnetise it. When the rotor is driven by a mechanical force (a steam turbine or, in this case, the blades of a wind turbine), an electric current is induced in the stator windings. The result is alternating current with an oscillating frequency proportional to the rotor’s frequency or speed of rotation (known as synchronous speed) and the number of magnetic poles. An alternator is a typical example of a synchronous electric generator. –– Asynchronous or induction generators are essentially induction motors operating in reverse. When operating as a motor, their rotor receives no power directly, but rather current is induced in it by the magnetic field generated by the current circulating in the stator. Such induced current in turn generates an induced magnetic field which, when


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como motor, el rotor no recibe energía de forma directa sino que se le inducen corrientes por efecto del campo magnético generado por la circulación de corriente en el estátor. Estas corrientes inducidas generan a su vez un campo magnético inducido que, al desplazarse respecto del campo magnético del estátor (sin alcanzarlo nunca), gira el eje del motor. Al actuar como generador, es necesario que el rotor gire más rápido que el campo magnético del estátor (velocidad diferente a la de sincronismo), generando energía eléctrica.

2.2 Tipologías de generador eléctrico para aerogeneradores Denominamos comúnmente turbina a la máquina que convierte la energía aportada por un fluido (ya sea agua, vapor, gas o aire) en energía mecánica. Para ello, se sirve de una serie de palas, hélices, cuchillas o receptáculos colocados alrededor de un eje giratorio llamado rotor. Uniendo una de estas turbinas a un generador, es posible generar energía eléctrica. Un aerogenerador es pues, una turbina eólica que acciona un generador eléctrico. La clasificación de las distintas configuraciones de aerogeneradores puede realizarse en función de diversos parámetros, siendo la más habitual la clasificación según control de velocidad. Para presentarla utilizaremos simbología eléctrica que seguramente será desconocida para el lector no eléctrico. Esto no debe sin embargo desanimarle, pues las imágenes se incluyen como complemento a una explicación detallada de cada uno de los tipos de turbina que se resumen en:

close enough to the magnetic field in the stator (without actually intersecting with it), rotates the motor axis. When IGs operate as generators, their rotor must rotate faster than the stator’s magnetic field (i.e., above synchronous speed), generating electric power.

2.2 Types of electric generators in wind turbines Turbine is the name normally given to the machine that transforms the energy in a fluid (water, steam, gas or air) into mechanical energy. It does so with a series of sails, coils, blades or receptacles positioned around a rotating axis called a rotor. When attached to a generator, the assembly produces electric power. Wind turbines, then, drive electric generators. Wind turbines can be classified by a number of parameters, the most common of which is speed control. As they are represented here using electrical symbols unfamiliar to most lay readers, a detailed explanation of each type of turbine illustrated is summarised below. Type I:

fixed speed turbines with squirrel-cage induction

generators

(SCIG)

There is no cause for alarm here: no adorable rodents need to be rescued from cruel exploitation. Squirrel-cage induction generators are so named because of the curious shape of the conductors in the rotor, consisting in a series of copper or

Tipo I: turbinas de velocidad fija basadas en un generador asíncrono de inducción tipo jaula de ardilla

Que nadie se asuste, ningún pobre roedor necesita ser rescatado. Los generadores de inducción tipo jaula de ardilla reciben este nombre por la curiosa forma de los conductores del rotor, formados por una serie de barras de cobre o aluminio unidas en sus extremos mediante anillos del mismo material que se asemejan a una jaula. En los aerogeneradores Tipo I (fig. 6), el generador eléctrico se encuentra conectado directamente a la red con el rotor girando a una velocidad fija respecto a la

Fig. 6. Configuración típica de una turbina Tipo I Fig. 6. Typical type I turbine configuración típica 277


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frecuencia de ésta. Esta configuración es simple y con un coste relativamente menor en comparación con el resto de tipologías. Hasta finales de los años 90 del siglo pasado, la gran mayoría de fabricantes basaban sus diseños en esta configuración, utilizando un generador de inducción de jaula de ardilla convencional y un sistema de engranajes de una etapa para conseguir las velocidades de rotación requeridas. Sin embargo, el desgaste prematuro de la multiplicadora por efecto de la transmisión de las fluctuaciones del viento a los componentes, la necesidad de compensación de reactiva y otros inconvenientes como la necesidad de un arrancador para suavizar las elevadas corrientes de arranque propias de los generadores de jaula de ardilla han terminado por relegar su uso respecto a otras configuraciones de velocidad variable, más flexibles, silenciosas y con mayor eficiencia. Tipo II: turbinas de velocidad variable limitada basadas en un generador asíncrono de inducción tipo rotor bobinado con velocidad de rotor variable mediante electrónica de potencia

En los aerogeneradores Tipo II (fig. 7) el generador también se conecta directamente a la red eléctrica. En este caso, sin embargo, el uso de un generador de rotor bobinado permite incorporar un sistema de resistores variables para aumentar la capacidad de regulación de la máquina y disminuir las corrientes de arranque. Si se incrementa la resistencia eléctrica del circuito del rotor, éste debe girar a una velocidad mayor para generar la misma cantidad de energía. Esta característica resulta de gran utilidad en momentos de ráfagas puntuales de viento, ya que permite al rotor absorber incrementos de velocidad de giro de hasta el 10% sin transmitir vibraciones ni rozamientos a la multiplicadora, incorporando eso sí algunas pérdidas eléctricas como consecuencia del calentamiento de los resistores durante su uso. A su vez, los aerogeneradores Tipo II permiten controlar la velocidad de giro mediante los sistemas de pitch para optimizar la generación de energía en cada momento. 278

aluminium bars held together at the ends by rings of the same material, forming what looks like a cage. In Type I (Figure 6) wind turbines, the generator is connected directly to the grid, with the rotor rotating at a constant speed relative to grid frequency. The set-up is simple and less costly than in other types of facilities. Until the late nineteen nineties, most manufacturers based their designs on this configuration, using conventional squirrel-cage induction generators and a single gear system to maintain the rotational speeds required. The premature wear on the gearbox due to the transmission of wind fluctuations to its component parts, however, along with the need to compensate for reactive power and other drawbacks such as having to use a starter to smooth the high start-up current peaks characteristic of squirrel-cage generators, ultimately determined their replacement with other more flexible, quieter and more efficient variable speed set-ups. Type II:

limited variable speed turbines with wound rotor induction generators (WRIG)

In Type II (Fig. 7) wind turbines the generator is also connected directly to the electric power grid. Here, however, the turbine is fitted with a wound rotor, whereby a system of variable resistors can be built into the facility to enhance machine control and lower the start-up current.

Fig. 7. Configuración típica de una turbina Tipo II Fig. 7. Typical type II turbine


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Tipo III: turbinas de velocidad variable basadas en un generador de inducción doblemente alimentado

La configuración Tipo III (fig. 8) elimina las pérdidas por calentamiento en los resistores sustituyendo éstos por un sistema de excitación de corriente alterna con frecuencia variable a través de convertidores de electrónica de potencia. Se trata de la configuración más utilizada en los aerogeneradores actuales, ya que incorpora mayor control de la máquina a pesar de incrementar el coste. Los convertidores utilizados son relativamente pequeños (aproximadamente un 30% de la potencia nominal del aerogenerador), pero permiten un amplio control de la potencia en el circuito del estátor con una pequeña inyección de energía en el rotor. Además, presentan la gran ventaja de poder separar el control de la potencia activa y reactiva a pesar de tratarse de un generador asíncrono, resultando en una gran robustez de los equipos incluso durante perturbaciones importantes en la red. Tipo IV: turbinas de velocidad variable tipo Full Converter, con o sin acoplamiento directo en configuraciones diversas

Los aerogeneradores de Tipo IV (fig. 9) se conectan a la red a través de un convertidor de frecuencia, lo que permite a la turbina girar a la velocidad aerodinámica óptima en cada momento sin provocar alteraciones de frecuencia en el vertido de energía: es decir, la frecuencia del generador es totalmente independiente de la frecuencia de la red. Como inconveniente principal, el tamaño de los convertidores de frecuencia debe ser igual a la potencia nominal del aerogenerador más la capacidad de aporte de reactiva necesaria, lo que supone grandes convertidores con un elevado coste. Gracias a esto, es posible eliminar la caja de engranajes, reduciendo así el coste y las elevadas necesidades de mantenimiento de este tipo de componentes y permitiendo incluso suministrar energía reactiva a la red si es necesario. Los sistemas Tipo IV pueden utilizarse con cualquier tipo de generador eléctrico, aunque este tipo de configuración utiliza habitualmente generadores síncronos de imanes permanentes con acoplamiento directo o con multiplicadora de una etapa.

If the electrical resistance in the rotor circuit is raised, it has to rotate at a greater speed to generate the same amount of power. That property is particularly useful during sporadic wind gusts, for it enables the rotor to absorb rises in rotational speed of up to 10 % without transmitting vibration or friction to the gearbox. Some electrical loss is nonetheless incurred because resistors heat up when they are in use. Type II wind turbines can also control rotational speed by regulating blade pitch to optimise power generation at any given time. Type III: variable speed turbines with doubly-fed induction generators

The Type III (Fig. 8) set-up eliminates the temperature rise in the resistors by replacing these components with a variable frequency alternating current excitation system using power electronics converters. This is the set-up most commonly used in today’s wind turbines despite the higher costs involved, for it affords greater control over the machine. The converters used are fairly small (approximately 30 % of the rated capacity of the wind turbine), while featuring significant control of the power in the stator circuit by feeding the rotor with only a small amount of power. Another substantial advantage to this configuration is that, even though the generator runs asynchronously, reactive and real power can be controlled separately, ensuring robust facility performance even in the presence of major grid disturbance.

Fig. 8. Configuración típica de una turbina Tipo III Fig. 8. Typical type III turbine configuration 279


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La consecuencia de eliminar la caja de engranajes es un generador con un elevado número de polos magnéticos, incrementando el diámetro de la góndola así como el coste del equipo por el uso de una gran cantidad imanes permanentes, hechos habitualmente de materiales escasos y caros y muy sensibles a la temperatura por lo que requieren sistemas de refrigeración en el rotor. Por el contrario, la ausencia de engranajes supone una disponibilidad para los sistemas de acoplamiento directo de virtualmente el 100% respecto a las configuraciones con multiplicadora, que presentan pérdidas de disponibilidad entre el 1% y el 5% que reducen la generación del parque e incrementan los costes de operación y mantenimiento. Así mismo, a pesar de que a priori un diseño estructural más robusto pueda ser necesario derivado de un mayor diámetro de rotor (incrementando en consecuencia el coste) la posibilidad de integrar el eje del rotor directamente en el hub del aerogenerador simplifica el diseño y permite contrarrestar el coste. Resulta difícil predecir qué sistema de generación será el predominante en los aerogeneradores instalados en los próximos años, o incluso si surgirán nuevos tipos basados en configuraciones que hoy en día existen sólo en laboratorios de universidades y en los departamentos de I+D de los tecnólogos. De hecho, si consideramos los últimos modelos de aerogenerador fabricados por los principales tecnólogos observaremos una gran diversidad de configuraciones en tren de potencia, con modelos como el Vestas V164-7.0 basados en un generador síncrono de imanes permanentes y una multiplicadora de velocidad media, aerogeneradores como el Siemens SWT 154-6.0, Alstom Haliade 150 o General Electric GE4.1-113 que funcionan con un generador síncrono de imanes permanentes con acoplamiento directo o modelos como la turbina REPower 6.0 MW con generador de inducción doblemente alimentado y multiplicadora de 3 etapas. Aunque si bien es cierto que no existe un consenso en relación a una configuración en particular, lo que sí parece claro es que la tendencia actual se mueve hacia el desarrollo de sistemas basados en generadores síncronos de imanes permanentes, 280

Fig. 9. Configuración típica de una turbina Tipo IV Fig. 9. Typical type IV turbine configuration

Type IV: variable speed turbines with full power electronic conversion, several configurations As Type IV (Fig. 9) wind turbines are connected to the grid through a frequency converter, the turbine can rotate at the optimal aerodynamic speed at all times without altering the frequency at which power is delivered. In other words, generator frequency is wholly independent of grid frequency. The main drawback is that the frequency converters must be sized to equal the rated capacity of the wind turbine plus the necessary reactive power capacity, which translates into very large and costly machines. This set-up nonetheless eliminates the need for a gearbox, lowering costs in that respect and the demanding maintenance requirements of such components. It can also feed reactive power into the grid where necessary. Whilst Type IV systems can be used with any kind of electric power generator, this type of set-up is normally associated with permanent magnet direct drive synchronous generators. With the elimination of the gearbox, the generator has a large number of magnetic poles, calling for a nacelle with a bigger diameter. That, along with the need for large numbers of permanent magnets, typically made from rare and hence expensive materials, raises the cost of the facility. Furthermore, the extreme temperature sensitivity of the magnets necessitates the installation of cooling systems in the rotor. The trade-


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bien con multiplicadora o sin ella, con grandes convertidores de frecuencia. Estos sistemas, a pesar de suponer un mayor coste y un tamaño mayor respecto a sus homólogos Tipo III, parecen aportar las mejores condiciones para los grandes aerogeneradores usados en ambientes offshore, donde la disponibilidad de las turbinas y la reducción de los costes de operación y mantenimiento adquieren una especial importancia. El uso o no de sistemas de engranajes, o el número de etapas de éstos depende de apuestas individuales de cada fabricante y de las características particulares de cada emplazamiento.

2.3 Principales equipos y sistemas eléctricos del aerogenerador Hemos hablado hasta ahora del corazón eléctrico del aerogenerador: el generador. Sin embargo, el funcionamiento de la turbina requiere una gran cantidad de sistemas auxiliares que se encargan de tareas de gran importancia y sin los cuales sería imposible generar energía. Estos sistemas cubren diversas funciones y requieren en muchos casos alimentación eléctrica para su funcionamiento, realizada a través de un transformador de servicios auxiliares ubicado dentro o cerca de la torre. Aunque se podría escribir un libro de cada uno de éstos, se resumen a continuación los principales de forma breve: –– Anemómetro y veleta –– Sistema de protección ante descargas atmosféricas –– Sistema de control electrónico –– Mecanismo de orientación de la góndola –– Transformadores eléctricos –– Celdas de media tensión –– Armario de tierra –– Otros sistemas auxiliares. El lector puede encontrar más información de los distintos componentes del aerogenerador en el apartado 10.1 del libro. No obstante, puesto que este capítulo trata precisamente de la ingeniería eléctrica de los parques eólicos, resulta imprescindible presentar dos equipos que, junto con el generador eléctrico, constituyen el corazón eléctrico del aerogenerador.

off is that the absence of gears in direct drive systems implies virtually 100 % availability, whereas geared set-ups exhibit 1 to 5 % availability losses that lower wind farm output and raise operating and maintenance costs. Moreover, the higher cost of the more robust structural design required to accommodate a larger diameter rotor could be offset by design simplification, for in this set-up the rotor axis can be built directly into the wind turbine hub. It is difficult to predict which system of generation will prevail in the wind turbines installed in the coming years or even whether new types will arise based on set-ups that today exist only in university laboratories and technology firms’ R&D departments. The drive trains in the latest models of wind turbines manufactured by technology majors vary widely, with models such as the Vestas V164-7.0 based on a permanent magnet synchronous generator and a medium-speed gearbox, the Siemens SWT 154-6.0, the Alstom Haliade 150 and the General Electric GE4.1-113, fitted with direct connection permanent magnet synchronous generators, and models such as the REPower 6.0-MW turbine, featuring a doubly-fed induction generator and a three gear system. Whilst no consensus has yet been reached on a given configuration, the present trend is clearly toward systems based on geared or direct drive permanent magnet synchronous generators and large frequency converters. Such systems, despite their higher cost and larger size compared to their Type III counterparts, would appear to deliver the best conditions for large offshore wind turbines, where shipping large components is not overly complex and turbine availability and lower operating and maintenance costs are of cardinal importance. The use or otherwise of gears or the number of gears in such systems depends on manufacturer discretion and specific site characteristics. 281


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En primer lugar, encontramos los transformadores eléctricos. Habitualmente, el generador entrega energía eléctrica en baja tensión, por lo que es necesario elevarla a la tensión nominal de la red colectora interior en media tensión (12, 20 o 34,5 kV, según proceda). Para ello se utiliza un transformador elevador que puede ir montado en el interior de la misma torre o bien en un centro de transformación ubicado en el exterior. Este transformador debe tener una potencia tal que permita evacuar toda la energía generada por el aerogenerador. Alternativamente, para la alimentación eléctrica del resto de sistemas eléctricos del aerogenerador, se dispondrá de un transformador de servicios auxiliares con salida a 400V/230 V. Este equipo alimentará sistemas tales como la refrigeración, el alumbrado, los sensores o el balizamiento exterior, entre muchos otros. En segundo, las celdas de media tensión son las encargadas de proteger las líneas de llegada y salida al aerogenerador, así como el transformador elevador del mismo. Se trata de una serie de aparamenta eléctrica (interruptores, embarrados, etc.) incorporada en unos armarios metálicos sellados, rellenos de un gas aislante (habitualmente hexafluoruro de azufre, SF6) o al vacío, y que incorporan relés de protección contra corrientes, tensiones y otros fallos que actúan cuando se produce la falta. La posición del aerogenerador dentro del circuito determinará el número y tipo celdas de media tensión, pudiendo ser configuración de final de línea, posición intermedia y de confluencia.

2.3 Main components and electrical systems in wind turbines Up to here, this chapter has focused on the electrical core of wind turbines: the generator. Nonetheless, these facilities require many ancillary systems that serve other key purposes on which power generation depends. These systems are often driven by electricity, which is supplied from an ancillary service transformer positioned inside or near the tower. Whole books could be written about each of these constituent parts, listed or described very briefly below:

3. Recolectando la Energía Generada. Redes Interiores de un Parque Eólico

The first comprises the electrical transformers. Generators normally deliver low voltage power that has to be subsequently stepped up to the rated (medium) voltage used in the internal collector grid (12, 20 or 34.5 kV, as appropriate). The step-up transformer that serves that purpose may be mounted inside the tower or externally in the transformer substation. Such transformers must have sufficient capacity to accommodate the wind turbine’s entire output. Some facilities may, however, also be fitted with a 400- or 230-kV ancillary service transformer to power the rest of its electrical systems, including cooling, indoor and outdoor lighting and many others.

3.1 Red colectora en media tensión y sistema de puesta a tierra La energía generada por los distintos aerogeneradores de un parque eólico debe ser recogida para inyectarla en la red eléctrica. No obstante, las distintas posiciones se encuentran diseminadas a lo largo del emplazamiento y es necesario disponer de una infraestructura eléctrica que permita conectar todos y cada uno de los aerogeneradores, recogiendo su energía de forma eficiente y transportándola a la subestación eléctrica del parque 282

–– anemometer and wind vein –– lightning and surge protection –– electronic control system –– nacelle yaw control mechanism –– electrical transformers –– medium voltage switchgear –– ground controller –– other ancillary systems. The reader will find further information on wind turbine components in sub-chapter 10.1 of this book. Nonetheless, since the subject of this chapter is electrical engineering in wind farms, two facilities which, together with the electric generator, constitute the core of the turbine must be at least briefly introduced.


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con las menores pérdidas posibles. Esa red recibe el nombre de sistema colector del parque. El sistema colector de un parque eólico se realiza habitualmente en media tensión. Pero, ¿por qué? Hemos comentado en apartados previos que los conductores eléctricos presentan una cierta resistencia al paso de la corriente. Esta resistencia provoca un calentamiento de los conductores y, en consecuencia, unas pérdidas eléctricas en forma de calor que reciben el nombre de pérdidas por Efecto Joule. Existen otras pérdidas pero de magnitud mucho menor, por lo que no las tendremos en cuenta en esta explicación. Las pérdidas Joule en un conductor son proporcionales al cuadrado de la corriente que lo atraviesa. Es decir, si la intensidad que pasa por un cable es el doble de la original, las pérdidas se multiplican por cuatro. Parece claro que la solución para minimizar las pérdidas en el transporte de energía eléctrica es disminuir la corriente que circula por el cable. Sin embargo, ¿cómo hacemos esto si la potencia del aerogenerador es la que es? El voltaje de un circuito eléctrico es inversamente proporcional a la corriente que circula por él. Es decir, a mayor voltaje, menor corriente para una misma cantidad de potencia. Elevar la tensión resulta sencillo gracias a los transformadores eléctricos, por lo que a simple vista parece que el problema está resuelto. Desgraciadamente, a medida que aumenta la tensión, mayores deben ser los aislamientos de los equipos eléctricos y, en consecuencia, mayor es el coste de éstos. La media tensión ofrece la mejor solución técnico-económica para realizar la recolección de energía ya que mantiene un equilibrio entre el coste de los equipos a utilizar y la cantidad de pérdidas producidas en el transporte de energía. Las redes de media tensión se encuentran en el interior de los parques eólicos y por tanto suelen considerarse como redes privadas a nivel de normativa eléctrica. Esto quiere decir que en general puede usarse el voltaje que se desee para los circuitos interiores en media tensión (típicamente 12, 20, 33 o 34,5 kV). No obstante, como regla general es recomendable utilizar las tensiones normalizadas del país donde se ubica el parque eólico

The second type of facility consists in medium voltage switchgear, which protects the wind turbine’s incoming and outgoing lines as well as its step-up transformer. This electrical gear (switches, bus bars and so on) is housed inside sealed gas(normally sulfur hexaflouride, SF6) insulated or vacuum steel cabinets that contain protectors for current, voltage and other outage-related failures. The number and type of switchgears are determined by the position of the wind turbine in the circuit: at the end of the line, in an intermediate position or at a junction.

3. C ollecting Facilities

the

Power Generated. W ind Farm

3.1 Medium voltage power grid and earthing system The power generated by the wind turbines in a wind farm has to be collected for evacuation to the electric power grid. Since the turbines are scattered across the site, electrical infrastructures are needed to connect each to the farm’s substation in a manner that ensures efficient power collection and transmission with the lowest possible losses. This grid is known as the wind farm’s collector system. Such systems generally run on medium voltage. The reason for that has to do with the aforementioned conductor resistance to the flow of current. Such resistance raises conductor temperature and consequently induces electrical loss in the form of heat known as Joule losses. While other losses are also present, as they are much smaller, they are not described in this explanation. Joule losses in a conductor are proportional to the square of the current circulating through it. In other words, doubling the current in a cable quadruples its losses. It stands to reason, then, that the way to minimise electric power transmission losses is by decreasing the current flowing through the power cable. But how can that be done if wind turbine output is what it is? The voltage in an electric circuit is inversely proportional to the current circulating through it: i.e., the higher the voltage, the lower the current for a given amount of power. Since voltage can be readily stepped up with electric transformers, 283


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para que puedan utilizarse equipos y componentes normalizados del país, que resultarán más baratos, dispondrán de todas las certificaciones necesarias y permitirán una compra ágil de repuestos. Como hemos comentado, a mayor tensión menores serán las pérdidas, pero mayor será el coste de los componentes (por ejemplo, los 34,5 kV empleados habitualmente en México obligan a utilizar conductores tipo 35 kV y celdas de 38 kV, mientras que con los 23 kV utilizados habitualmente en Chile es posible utilizar conductores tipo 25 kV y celdas de 24 kV, con un coste menor). Los distintos aerogeneradores del parque eólico se agruparán en circuitos eléctricos conectados por cables de media tensión a través de las celdas de interconexión de los aerogeneradores. Los conductores de media tensión de un parque eólico, como cualquier conductor eléctrico, se diseñan teniendo en cuenta los siguientes criterios: –– Intensidad admisible del conductor: los cables de media tensión pueden transportar una determinada corriente eléctrica en Amperios. A medida que el cable se calienta, la corriente admisible disminuye y por tanto menor es la potencia que pueden transportar. La temperatura del conductor depende principalmente de la resistividad térmica del terreno, del número de conductores enterrados en una misma zanja, de la distancia entre distintos conductores y de la temperatura ambiente del terreno. A mayor sección del conductor, mayor es la intensidad admisible del mismo. –– Caída de tensión: sabemos de apartados previos que cuando por un conductor circula una corriente, se produce una caída de tensión entre origen y destino equivalente a la pérdida de presión en el equivalente hidráulico. Para garantizar que la energía llega con unos márgenes de tensión adecuados para el correcto funcionamiento de los equipos, esta caída de tensión tendrá que mantenerse dentro de unos ciertos niveles. La caída de tensión depende de la distancia del conductor y de la sección del mismo. A mayor sección del cable, menor es su resistencia eléctrica y, por tanto, menor es su caída de tensión para una misma longitud. Como valor general, se suelen tomar caídas de 284

the solution, at first blush, would appear to lie there. Unfortunately, as the voltage rises, the electrical equipment calls for greater insulation, raising costs. Medium voltage collector grids provide the best technical and economic balance between the cost of the equipment needed and the losses induced in internal power transmission. As such medium voltage grids are sited inside wind farms, they are regarded as private grids in the applicable legislation. That means that the medium voltage used in internal circuits (typically 12, 20, 33 or 34.5-kV) is usually discretional. Nonetheless, as a general rule the standard voltages in place in the country where the wind farm is located are recommended, for they ensure compatibility with standardised facilities and components which are less expensive, duly certified and readily replaceable. As noted, the higher the voltage the smaller the losses but the higher the cost of the components (Mexico’s 34.5-kV standard, for instance, calls for 35-kV conductors and 38-kV switchgear, whereas with the 23-kV standard in Chile lower cost 25-kV conductors and 24-kV switchgear suffice). A wind farm’s wind turbines are grouped into electric circuits connected by medium voltage power cables across the turbines’ inter-connecting switchgear. Like any other electrical conductor, the medium voltage conductors in a wind farm are designed to the following criteria. –– Allowable current in the conductor: medium voltage cables can transmit a certain amount of electric current, measured in amperes. As the cable heats up, the allowable current declines and reduces the transmissible power. Conductor temperature depends primarily on the thermal resistivity of the soil, the number of conductors laid in the same ditch, the distance between conductors and the ambient soil temperature. The larger the conductor section, the greater is its allowable current. –– Voltage drops: as noted above, when current flows through a conductor, the voltage drops between the beginning and end of the circuit, a development analogous to head loss


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tensión máximas por circuito del orden de 1.5% de la tensión nominal del sistema. –– Caída de potencia: por efecto de las pérdidas Joule en el conductor, según lo explicado anteriormente. A mayor sección del cable, menor es su resistencia eléctrica y, por tanto, menor es la caída de potencia para una misma longitud. Como valor general, se suelen tomar caídas de potencia máximas del orden del 2% de la potencia nominal del circuito. –– Intensidad de cortocircuito: el conductor de media tensión debe soportar sin dañarse las elevadas temperaturas que se producen en caso de cortocircuito. El precio de los cables de media tensión aumenta a medida que se incrementa la sección y la tensión nominal, así como lógicamente también a mayor cantidad. El diseño de la red colectora debe ser tal que minimice las longitudes de conductor necesarias a la vez que optimiza las secciones utilizadas de acuerdo a los criterios de diseño mencionados anteriormente. La posición de un aerogenerador dentro de un circuito eléctrico permite diferenciar tres tipos de configuraciones de aerogenerador (fig. 10): –– Final de línea: ubicado al final de un circuito, dispondrá de una celda de protección de transformador y una celda de remonte. –– Posición intermedia: ubicado entre un aerogenerador previo y un aerogenerador posterior, dispondrá de una celda de protección de transformador, una celda de línea con interruptor automático y una celda de remonte. –– Confluencia: con llegada desde dos aerogeneradores distintos, dispondrá de una celda de protección de transformador, dos celdas de línea con interruptor automático y una celda de remonte. Las celdas de media tensión incorporarán todas las protecciones necesarias de acuerdo a la normativa de cada país. En la gran mayoría de parques eólicos, la red interior en media tensión es subterránea. A pesar de tener un coste ligeramente

in hydralulic systems. To ensure that power is delivered at a voltage suited to equipment needs, that voltage drop has to be kept within certain bounds. Its value depends on conductor length and cross-section. Cables with a larger cross-section have a smaller electrical resistance and hence a lower voltage drop for a given length. The general rule of thumb is for the maximum voltage drop to be on the order of 1.5 % of the farm’s nominal voltage. –– Power drop: such drops are due to the Joule losses in conductors, as explained earlier. Cables with a larger crosssection have a smaller electrical resistance and hence lower power loss for a given length. As a rule, the maximum power drop value is on the order of 2 % of the circuit’s capacity. –– Short-circuit overcurrent: medium voltage conductors must remain intact when exposed to the high temperatures induced by short circuiting. The price of medium voltage cables rises with the cross-section and rated voltage, as well, naturally, as with length. Collector

Celda de confluencia Switchgear for two upstream turbines

Celda de final de línea Switchgear for end of circuit

Celda de Celda intermedia final de línea Switchgear for Switchgear for intermediate position end of circuit

Fig. 10. Esquema unifilar de un circuito colector en media tensión Fig. 10. Line drawing of a medium voltage collector circuit

285


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superior, esta solución minimiza el impacto ambiental y protege mejor los circuitos del parque que su homóloga aérea. Los distintos cables de media tensión se ubicarán en el interior de zanjas excavadas en el terreno a lo largo del trazado de los viales. Las dimensiones, elementos y configuraciones de zanja pueden variar en cada proyecto. Los cables de media tensión suelen enterrarse directamente en la zanja sobre un lecho de arena de río que le aporta excelentes propiedades para evacuación del calor. Junto a ella, se ubicará la fibra óptica para las telecomunicaciones (entubada o sin entubar) y en el fondo de la zanja, el conductor de puesta a tierra. Los cables se cubrirán con una nueva capa de arena sobre la que se colocarán una serie de protecciones mecánicas (plásticas, cerámicas o de otro tipo) y, sobre ellas, una cinta de plástico para señalizar la existencia de conductores eléctricos. Estos elementos protegerán los cables de posibles agresiones. El resto de la zanja se rellena con material de la misma excavación, colocando una serie de hitos de señalización (de madera, hormigón o plástico según el proyecto) a lo largo del trazado aproximadamente cada 50 m o 100 m (fig. 11, arriba). En algunos tramos, es necesario que los cables eléctricos crucen por debajo de los viales del parque. En estos casos, se utiliza una sección reforzada en hormigón en la que se han embebido una serie de tubos para el paso de cables de media tensión, fibra óptica y puesta a tierra. En este caso, no es necesaria la protección mecánica ya que el hormigón actúa como tal, pero se incluye habitualmente la cinta de señalización en la capa de material de excavación (fig. 11, abajo). El sistema de puesta a tierra de un parque eólico tiene como objetivo disipar las corrientes de falla provocadas en caso de cortocircuito o como consecuencia de la caída de un rayo, protegiendo a los equipos y a las personas. La justificación física de este sistema es sencilla. La corriente eléctrica siempre busca el camino más fácil a tierra, es decir, aquel camino que proporciona una menor resistencia eléctrica al paso de la corriente. En consecuencia, la instalación de puesta a tierra busca propor286

grid design should minimise the conductor lengths needed while optimising the cross-sections used in keeping with the aforementioned design criteria. Three turbine configurations can be defined on the grounds of their position on an electric circuit (Fig. 10). –– Turbines located at the end of the circuit are fitted with transformer protection and an outgoing riser. –– Turbines located in intermediate positions, i.e., between an upstream and a downstream turbine, are fitted with transformer protection, an incoming line with a circuit breaker and an outgoing riser. –– Wind turbines connected to two upstream turbines are fitted with transformer protection, two incoming lines with circuit breakers and an outgoing riser. Medium voltage switchgears must be fitted with all the protection devices called for by national legislation. In the vast majority of wind farms, the internal medium voltage grid runs underground. Although its cost is slightly higher, this arrangement minimises environmental impact and protects circuits better than overhead solutions. Medium voltage cables are laid in roadside ditches dug in the soil. Ditch dimensions, elements and configurations vary from one farm to another. Medium voltage cables are normally laid directly in the ditch over a bed of river sand, which affords excellent heat evacuation. The (sheathed or unsheathed) optical fibre for telecommunications is positioned next to them and the earthing conductor is laid at the bottom. The cables are buried under another layer of sand over which plastic, clay-based or other mechanical protection is placed and which in turn is covered with a plastic band to signal the existence of cabling. These elements protect the cables from possible aggressive agents. The rest of the ditch is filled with the excavated materials and posted with wood, concrete or plastic markers (depending on the project) at 50- or 100-m intervals (Fig. 11, above). Some stretches of cable may have to cross underneath the roadways. In such cases, the ditch is reinforced with concrete containing


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cionar un camino de muy baja resistencia hacia tierra, para que la corriente de falla o el rayo pase por éste y no a través de los equipos o personas. El sistema de puesta a tierra está formado por la red de puesta a tierra del parque y las puestas a tierra individuales de cada aerogenerador. La red de puesta a tierra del parque conecta los distintos aerogeneradores por medio de un conductor desnudo ubicado en las mismas zanjas de media tensión. El cable de puesta a tierra conecta los distintos aerogeneradores por medio de la barra de tierras principal, ubicada en la base de la torre y a la que también se conecta la torre metálica (o en caso de torres de hormigón, la puesta a tierra de ésta), el sistema de puesta a tierra del aerogenerador y los conductores de protección de los equipos eléctricos del aerogenerador. La puesta a tierra de cada aerogenerador consta de una serie de electrodos de cobre enterrados alrededor de la cimentación y que conectan la armadura de ésta. Habitualmente, está formada por un anillo equipotencial ubicado en la base de la torre y un anillo perimetral alrededor de la cimentación, ambos realizados en cable de cobre desnudo. Cuando el terreno es malo (tiene una alta resistividad eléctrica), es necesario instalar electrodos adicionales como picas de cobre o nuevos anillos para conseguir el menor nivel de resistencia a tierra (cuyo máximo está fijado en 10 Ω). El diseño de la puesta a tierra del aerogenerador deberá aguantar sin sufrir daños los niveles de cortocircuito esperados en el parque, así como asegurar unas tensiones de paso y de contacto reducidas para evitar daños personales.

embedded pipes that house the medium voltage cables, optical fibre and earth. Although no mechanical protection is required, inasmuch as the concrete serves that purpose, the excavation material layer bears a warning band denoting the presence of electrical cables (Fig. 11, below).

1 1. Hito de señalización Line marker 2. Relleno con tierra de excavación libre de arcillas Clay-free excavation materials 3. Cinta de señalización Voltage warning band 4. Protección mecánica Mechanical protection 5. Arena Sand 6. Cable de tierras Earthing wire 7. Cables de MT MV cables 8. Fibra óptica Optical fibre 9. Hormigón HM-15 PC-15 concrete 10. Tubo PAD HDPE pipe

2 3 4 5 6 7 8 2 3 9 10 7 6 10 8

3.2 Sistema de comunicaciones El sistema de comunicaciones de un parque eólico se encarga de recoger la información de los distintos aerogeneradores y torres meteorológicas permanentes del parque, para llevarla a los equipos de comunicaciones y al software de control SCADA ubicados en la subestación o en el edificio de control del parque eólico.

Fig. 11. Secciones tipo y detalle de instalación de zanjas de media tensión (1 circuito) Fig. 11. Cross-sections and detail of medium voltage ditch (1 circuit)

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Aunque existen diversas configuraciones (sistemas cableados, sistemas Wireless, etc.) la tipología más extendida es un sistema cableado basado en una red de área local (LAN) con comunicación tipo Ethernet a través de cables de fibra óptica. Cada uno de estos cables (a veces denominadas mangueras) contiene en su interior un conjunto de fibras ópticas que varía en número (4-8-12-16 fibras) y características en función del modelo escogido. La fibra óptica utilizada puede ser del tipo multimodo (utilizada en distancias cortas de hasta 2 km aproximadamente) o bien mononomodo (utilizada en distancias mayores, con mejores prestaciones ópticas). Actualmente no existe una diferenciación notable en el precio entre ambos tipos de fibras, por lo que su elección responde a veces a especificaciones del tecnólogo del aerogenerador y a particularidades de cada proyecto. La conexión de las distintas fibras ópticas en el parque puede realizarse de formas diversas en función de las particularidades de cada proyecto. Sin embargo, existen dos topologías de comunicación principales: –– Topología en anillo colapsado: la conexión entre los distintos aerogeneradores se realizar en forma de anillo, con un camino de ida y un camino de vuelta pero ambos dentro de una misma manguera. Esta topología es sencilla y robusta, pero es susceptible a daños en el cable ya que un corte del mismo incomunica el circuito a partir de este punto. Esta configuración se utiliza de forma habitual en parques eólicos donde es poco probable que se produzca un corte accidental de la manguera ubicada en el interior de las zanjas de media tensión. –– Topología en anillo redundante: basada en la misma idea anterior conecta los distintos aerogeneradores en anillo, pero en este caso el camino de ida y el camino de vuelta se producen en dos mangueras distintas por caminos distintos. Es el sistema más fiable y evita que el aerogenerador quede incomunicado. Sin embargo, la utilización de un sistema redundante supone doblar la cantidad de cable 288

Wind farm earthing systems are designed to dissipate the fault currents induced during short-circuiting or by lightning strikes, to protect people and equipment. The physical description of this system is straightforward. Electric current always travels to earth along the easiest pathway, i.e., the pathway with the lowest resistance to current flow. Consequently, the earthing facility seeks to provide a very low resistance pathway to earth so the fault current or lightning takes that route instead of through people or machines. The earthing system comprises the farm’s earthing grid and the earthing installed in each wind turbine. The wind farm’s earthing grid inter-connects the wind turbines by means of a bare copper wire laid in the medium voltage ditches. The earthing wire is connected to the earthing bars positioned at the base of each tower, to which the steel tower itself (or in concrete towers, their earthing cable), the wind turbine earthing system and the electric machine grounding wire relays are also connected. Each wind turbine is skirted by a series of underground copper electrodes connected to the foundation rebar. This earthing normally consists in an equipotential ring located at the base of the tower and a perimetric ring around the foundations, both made of bare copper wire. When the soil has high electrical resistivity, additional electrodes must be installed, such as copper stakes or extra rings to attain the lowest possible earthing resistance (whose maximum allowable value is 10 Ω). The wind turbine’s earthing system must remain intact during the highest short-circuit levels anticipated in the farm, and ensure low transient and contact voltage to prevent personal injury.

3.2 Communications system Wind farm communication systems compile the information from the wind turbines and permanent meteorological (or met) masts and convey it to the communications facilities and the SCADA control software located in the substation or the farm’s control building.


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de fibra óptica, con el consecuente impacto económico, por lo que se reduce a ubicaciones donde el riesgo de sufrir daños es elevado. El cable de fibra óptica se instala en la misma zanja de media tensión, al lado de los conductores de potencia del parque. Se puede tender directamente enterrado o introducido en un tubo plástico (habitualmente, polietileno de alta densidad, PEAD), en cuyo caso es habitual incorporar una serie de registros a lo largo del trazado para facilitar el tendido. El modo de instalación depende, de nuevo, de las particularidades de cada proyecto y de las especificaciones del tecnólogo en cuestión, aunque la instalación directamente enterrada en zanja requiere que la manguera disponga de características especiales para protegerlo mecánicamente de, por ejemplo, roedores, químicamente de las sustancias presentes en el terreno y evitar que la humedad penetre en el interior de las fibras, entre otros. Las longitudes existentes en los parques eólicos hacen necesario algunas veces realizar empalmes ópticos entre distintos tramos de fibra óptica, por lo que tras la instalación se llevan habitualmente a cabo pruebas ópticas para asegurar que no se produce una atenuación elevada de la señal. Las distintas mangueras de fibra óptica se introducen en el interior de la torre a través de una serie de tubos embebidos en la cimentación, y se conectan a un patch panel o caja de conexiones conectada al switch de comunicaciones del aerogenerador (fig. 12). Los distintos circuitos de fibra óptica son recogidos en el rack de comunicaciones ubicado en la sala de control del parque, que monitorizará los parámetros principales de cada aerogenerador mediante la plataforma SCADA.

3.3 Subestación elevadora y evacuación de potencia a la red La subestación elevadora de un parque eólico (indicada habitualmente como SET o S/E) es la encargada de recoger la energía transportada por los distintos circuitos de media tensión, para elevar a posteriori la tensión y evacuar la energía mediante

Although a variety of (wired and wireless) configurations are in use, the most widespread typology consists in a wired local area network (LAN) with Ethernet-like communication across fibre-optic sheaths. The features of these bundles of 4, 8, 12 or 16 optical fibres depend on the model. Either multi-mode (used over short distances of up to approximately 2 km) or single-mode (for longer distances, with better optical performance) optical fibre may be used. In the absence of any material difference in cost between the two types of fibres, the choice of one or the other is contingent upon the technological specifications of the wind turbine and project particulars. The various optical fibres in the farm may be inter-connected in a number of ways depending on project requirements. The two topologies most commonly deployed are described below. –– In collapsed ring configurations wind turbine interconnections form a two-way ring in which the fibre pairs share the same sheath. This simple and robust topology is nonetheless vulnerable to damage to the sheath, for if broken it would cut off circuit communication from the point of interruption. It is generally used in wind farms where accidental sheath breakage is unlikely, due to their location in medium voltage ditches.

Switch

Switch

Subestación transformadora Step-up substation

Fig. 12 Ejemplo de conexión de fibras en un circuito eólico Fig. 12. Example of fibre connections in a wind farm circuit 289


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una línea de transmisión (indicada habitualmente como LT o LAT) hasta el punto de conexión del parque con las menores pérdidas eléctricas posibles. Una subestación típica para parque eólico está formada por el centro colector de media tensión, las salas eléctricas y el patio de alta tensión. En el centro colector de media tensión se ubican las celdas primarias de la subestación. Estas celdas son similares a las celdas de interconexión entre aerogeneradores comentadas anteriormente, pero presentan mejores prestaciones eléctricas debido a que soportan toda la generación del parque eólico. Estas celdas aguantan una mayor corriente en sus embarrados, soportan mayores corrientes de cortocircuito y tienen interruptores con una mayor capacidad de ruptura que sus homónimas de interconexión, por lo que su coste es también más elevado. En la subestación colectora encontraremos distintos tipos de celda, con funciones y características diferentes: celdas con función de línea (reciben una línea de media tensión proveniente de uno de los circuitos del parque a la vez que la protegen), celdas de protección y medida (que contienen todos los elementos necesarios para realizar las medida de energía del parque eólico), celdas de protección del transformador para servicios auxiliares (SS.AA.) y celdas de protección para transformador de potencia. El criterio de diseño de las subestaciones elevadoras es habitualmente del tipo n+1, por lo que estas instalaciones incluyen habitualmente 2 transformadores de potencia para evitar que un fallo en este equipo impida evacuar energía a la red. Las salas eléctricas de la subestación elevadora contienen todos los equipos eléctricos necesarios para el correcto funcionamiento de la subestación. Estas salas suelen estar integradas junto con las celdas colectoras explicadas anteriormente en un mismo edificio, que en función de cada proyecto puede estar dentro del edificio de control o bien ser un edificio independiente del mismo. Entre los distintos sistemas ubicados en estas dependencias, destacan los transformadores de servicios auxiliares, el grupo diésel de emergencia, los cuadros de baja tensión, los sistemas de baterías o los racks de comunicaciones, 290

–– Redundant ring topologies are based on the same basic idea, inter-connecting wind turbines in a ring, although here each member of the pair is in a separate sheath. This is a more reliable system because it affords wind turbine inter-communication across two pathways, preventing outages. Nonetheless, as redundant systems entail doubling the amount of optical fibre needed, with the concomitant impact on costs, they are confined to sites where the risk of damage is high. Fibre-optic sheaths are laid in medium voltage ditches alongside the farm’s power conductors. They may be laid directly or in a plastic pipe (normally high density polyethylene, HDPE), in which case hand-holes are normally installed at regular intervals to facilitate laying operations. The installation specifications vary, here also, with each project, although where the sheaths are laid directly in the ditch they must meet certain mechanical requirements to ensure they are rodent-and moisture-proof, for instance, and able to resist chemicals present in the soil. As the distances involved in wind farms sometimes call for optical splicing between stretches of fibre, tests are normally conducted once the fibre is laid to guarantee the absence of signal attenuation. Fibre-optic sheaths are run into the inside of the tower through a series of pipes embedded in the foundations and connected to a patch panel, in turn connected to the turbine’s communication switchboard (Fig. 12). The fibre optic circuits terminate in the communications rack located in the farm’s control room, from which each wind turbine’s main parameters are monitored with SCADA software.

3.3 Step-up substation and power evacuation to the grid The step-up substation in a wind farm collects the power transmitted across the medium voltage circuits, boosts the voltage and subsequently feeds the power into the grid via a transmis-


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entre otros. Así mismo, requerimientos particulares como dependencias para aseo y cocina del personal, almacenes u otras salas pueden ser incorporados a este edificio, que deberá contar con las instalaciones necesarias en materia de iluminación, ventilación y refrigeración, protección contra incendios, seguridad y videovigilancia o suministro de agua potable y colección de aguas residuales, entre otros. Finalmente, el patio de alta tensión es un recinto vallado que encontramos cerca del parque eólico y que contiene todos los equipos eléctricos de alta tensión necesarios para la protección y evacuación de energía eléctrica a la red, incluyendo interruptores, seccionadores, pararrayos, estructuras metálicas altas y bajas para soporte de conductores eléctricos y, sobretodo, los transformadores de potencia encargados de elevar la tensión. Es seguramente la parte más crítica de la subestación elevadora, ya que los equipos están sometidos a elevadas tensiones y es necesario tomar las medidas de protección adecuadas cuando se trabaja con ellos. La ubicación, tamaño y número de equipos de alta tensión del patio dependerá de la configuración de la subestación que se haya escogido (barra simple, doble barra con barra de transferencia, etc.) y de la tensión nominal de evacuación (mayores tensiones requerirán mayores equipos y mayores distancias de seguridad, incrementando el coste de la subestación). El pórtico de línea es el último elemento de la subestación antes de la línea de transmisión. Esta estructura metálica recoge los tres conductores eléctricos que transportan la energía en alta tensión y los conecta con la primera torre de la LT. Existen numerosos tipos y configuraciones de subestaciones elevadoras, por lo que la elección dependerá en cada caso de las características particulares de cada proyecto. La construcción, operación y mantenimiento de las subestaciones elevadoras en un parque eólico suele ser responsabilidad del dueño del parque. No obstante, a pesar de tratarse de instalaciones privadas, su explotación se encuentra habitualmente supeditada a la disciplina del operador del sistema eléctrico nacional. Encontramos también subestaciones de conexión

sion line (normally abbreviated TL) at the farm’s connection point, with the lowest possible loss. A typical wind farm substation consists of a medium voltage collector station, electrical bays and a high voltage switchyard. The medium voltage collector station houses the substation’s primary switchgear. This gear is similar to the wind turbine inter-connection gear described earlier, but is more generously dimensioned because it handles all the power generated by the wind farm. This switchgear protects against higher current overloads at the bus bars and greater short-circuit overcurrent and is fitted with circuit breakers with greater breaking capacity than its inter-connection counterparts. It is also more costly. The collector station houses switchgear with different specifications that serve different purposes: line functions (receiving and protecting one medium voltage line from one of the farm’s medium voltage circuits), protection and metering (fitted with all the elements necessary to measure the farm’s power output), ancillary service and power transformer protection. In standard practice, step-up substations are designed to the n+1 criterion, i.e., they are fitted with two power transformers to ensure that an outage in these facilities would not prevent the farm from evacuating power to the grid. The electrical bays in a step-up substation are fitted with all the electrical components needed for satisfactory substation operation. These bays are generally housed in the same building as the collector switchgear which, depending on the project, may be a separate structure or built into the control building. Such premises also house the ancillary service transformers, the emergency diesel generator set, the low voltage patch panels, the batteries and the communication racks, among others. Areas for other uses may also be provided, such as staff toilets and kitchen, warehouses or other chambers. The building must also be fitted with lighting, ventilation and cooling, fire protection, security and video surveillance, potable water and waste water collection systems, among others. 291


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que se encargan de efectuar la conexión del parque eólico a la red eléctrica y que son habitualmente diseñadas de acuerdo a los requisitos del operador del sistema de cada país y, llegado el caso, operadas por éste de forma directa.

4. C onquistando los O céanos . Particularidades E léctricas de los Parques E ólicos O ffshore En los últimos años, el adjetivo offshore se ha consolidado en el ámbito de la energía eólica, con numerosas experiencias prácticas que demuestran que el salto de la energía eólica al mar no sólo es viable, sino que será la tendencia dominante en el futuro. Países como Reino Unido, Alemania o Dinamarca cuentan ya con inmensos parques eólicos marinos en funcionamiento en sus costas, que serán complementados en un futuro próximo con cientos de nuevos megavatios. Los principales tecnólogos disponen desde hace años de turbinas diseñadas específicamente para este tipo de parques, cuyo increíble desarrollo ha impulsado incluso la creación de joint ventures específicas. La ingeniería eléctrica en los parques eólicos marinos, como el resto de disciplinas, enfrenta unas particularidades derivadas del ambiente offshore que complican el diseño de forma importante respecto a sus homólogos terrestres. Los procesos de construcción de infraestructuras eléctricas para la recolección de energía entre los distintos aerogeneradores son especialmente complicados en el mar, así como también lo es el diseño de componentes que deben resistir unas condiciones ambientales ciertamente desfavorables. Las elevadas distancias que existen habitualmente en este tipo de parques requieren soluciones no convencionales para salvar las pérdidas eléctricas, soluciones tales como la utilización de caras subestaciones eléctricas marinas distribuidas a lo largo del parque o la implementación de sistemas colectores en corriente continua HVDC (High Voltage Direct Current) con configuraciones y topologías que todavía no están resueltas de forma completa. Estos últimos plantean importantes cues292

Lastly, the high voltage switchyard is a fenced enclosure near the wind farm that houses all the high voltage electrical equipment needed to protect the facility and deliver electric power to the grid, including switches, circuit breakers, lightning rods, highand low-rise steel structures to carry electrical conductors and, most importantly, the step-up power transformers. This is arguably the most crucial part of the step-up substation, for its equipment must withstand high voltage and all due protective measures must be adopted when working with it. The position, size and number of facilities in the high voltage switchyard depend on the substation configuration chosen (such as simple bus bar or double bus bar with a transfer bar) and the nominal output voltage (higher voltages call for larger machines and wider safety distances, raising substation costs). The TL portico is the final substation component upstream of the transmission line. This steel structure houses the three electrical conductors that carry the high voltage power and connects them to the first TL tower. There are many kinds and configurations of step-up substations; the choice of one or another depends on specific project characteristics. The construction, operation and maintenance of wind farm step-up substations are normally incumbent upon the farm owner. Nonetheless, although they are private facilities, their operation is usually subject to the discipline imposed by the national electricity system operator. In some cases, substations connecting the wind farm to the electric power grid (generally designed to system operator requirements) are run directly by the operator.


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tiones en relación a cómo se protegen estas redes y como se realiza la gestión de la energía en corriente continua y a grandes tensiones (400 kV o superiores), cuestiones que son foco de numerosas líneas de investigación por parte de universidades y empresas del sector y que prometen numerosos avances. El desarrollo de nuevos modelos de aerogenerador con mayores potencias nominales que permitan aumentar la capacidad de generación y aprovechar al máximo el potencial eólico de los emplazamientos marinos es esencial, lo que supondrá a su vez un reto para las infraestructuras eléctricas encargadas de recoger la energía generada y transportarla hacia el consumo. Así mismo, los nuevos diseños de torres marinas como los sistemas flotantes plantean interrogantes respecto a la fatiga mecánica que deberán soportar los cables de potencia o cómo deben ser los sistemas de protección contra la corrosión y puesta a tierra del aerogenerador, entre muchos otros aspectos. Además de los planteamientos técnicos, el éxito de la energía eólica marina estará sujeto a la reducción de costes de CAPEX y OPEX, con inversiones actuales que están próximas a triplicar el coste respecto a parques eólicos onshore y unos costes de operación también muy elevados como consecuencia de las particularidades del trabajo en alta mar. Aunque la mayor generación eléctrica compensa con creces estas mayores inversiones en los parques actuales, mejorar las tasas de rentabilidad permitirá atraer nuevas inversiones de capital e incentivar del desarrollo de este tipo de proyectos respecto a instalaciones de generación convencionales, contribuyendo de esta manera a reducir la huella de carbono y a frenar el avance del cambio climático de una forma eficaz.

4. C onquering W ind Farms

the

O cean . Particulars

of

O ffshore

In recent years, a host of practical ‘offshore’ experiences in the realm of wind energy have shown that the seaward leap is not only feasible, but will be the prevailing trend in future. Countries such as the United Kingdom, Germany and Denmark already have huge wind farms in place off their coasts, which will be supplemented in the near future with hundreds of additional megawatts of capacity. The technology majors have been making turbines specifically designed for this type of farms for years. The remarkable development of these facilities has even inspired the creation of joint ventures that engage exclusively in this type of enterprise. Like other disciplines, electrical engineering for offshore facilities is confronted with project siting particularities that render design vastly more complex than for their onshore cousins. Electrical infrastructure construction to collect energy from wind turbines is especially complex in the sea, as is the design of components that must bear up under particularly adverse environmental conditions. The long distances that characterise such farms call for nonconventional solutions to compensate for electrical losses, such as the use of expensive marine electrical substations distributed across the farm or the implementation of high voltage direct current (HVDC) collector systems, for which the optimal topology has yet to be determined in full detail. Such systems pose substantial grid protection and high voltage (400 kV or more) direct current management problems, around which the many lines of university and industry research underway have made promising advances. The development of new models of wind turbines with higher rated capacity able to raise generating output and capitalise fully on wind power in offshore sites, which is essential, will constitute a challenge for the electrical infrastructures used to collect the power generated and distribute it to users. New 293


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

5. T he Bigger P icture. I ntegración de la E nergía E ólica en los S istemas E léctricos Nacionales y Transnacionales Como cualquier central de generación de energía eléctrica, los parques eólicos se encuentran conectados a los sistemas eléctricos nacionales de distribución y transporte, cada uno con sus particularidades y exigencias. El parque eólico genera la energía, pero son estas infraestructuras de transporte y distribución las encargadas de llevarla hasta el consumidor. Las funciones de transporte y distribución de energía eléctrica pueden sonar tal vez un poco difusas para el lector, que sin embargo conoce estos sistemas más de lo que cree. Las infraestructuras de transporte son nada más y nada menos que las grandes líneas eléctricas de alta tensión que transportan la energía a grandes distancias y a tensiones de miles de voltios, apoyadas en robustas estructuras metálicas que aguantan los conductores a lo largo del trazado. En España, Red Eléctrica Española (REE), como Operadora del Sistema, es la encargada de operar, construir y mantener estas líneas de transporte de forma que se asegure la calidad, continuidad y seguridad del suministro eléctrico a la población, con una gestión planificada de las mismas. Esta función es ejercida en cada país por uno o varios operadores diferentes, como por ejemplo la Comisión Federal de Electricidad (CFE) en México o Transelec en Chile. Las infraestructuras de distribución son las encargadas de distribuir energía eléctrica al consumidor y, al contrario que las infraestructuras de transporte, no suelen tener un carácter planificado sino que responden a la evolución de la demanda en cada localización. Estas redes, con un fuerte protagonismo de la media tensión, son muy ramificadas y complejas, y son operadas y construidas por las compañías de distribución. Endesa en España o CONAFE en Chile son algunas de estas compañías. Los parques eólicos se ubican habitualmente a grandes distancias de los núcleos de consumo, ya que es en estos lugares donde muchas veces se obtiene un mayor recurso eólico. Debido a ello, la evacuación de los parques eólicos suele realizarse en 294

designs for offshore towers and floating systems also pose questions about the mechanical fatigue that power cables will need to withstand and the design of corrosion protection and wind turbine earthing systems, to name but a few of the issues outstanding. In addition to such technical matters, the success of offshore wind power will depend on the reduction of CAPEX and OPEX, for today’s investment costs in such facilities nearly treble the costs for onshore farms, while the particularities of working in the open sea send operating expenses spiralling as well. Whilst higher output comfortably offsets the greater investment in these farms today, improving the ROI will attract further capital investment and fuel the development of these projects over conventional generating facilities, thereby helping to reduce the carbon footprint of electricity generation and effectively slacken the pace of climate change.

5. The Bigger Picture: Integration of Wind Energy in National and Transnational Electricity Systems Like all other power generation plants, wind farms are connected to national electricity transmission and distribution grids, each with its particulars and demands. Wind farms generate electric power, but these transmission and distribution infrastructures carry it to users. Although readers may find the terms transmission and distribution confusing, they are more familiar with them than they may believe. Transmission infrastructures are no more than the robust steel structures and associated overhead power lines that carry electricity over long distances at voltages measured in thousands of volts. In Spain, the system operator (Red Eléctrica Española, REE) builds, operates and maintains these transmission lines, ensuring the quality, reliability and security of supply of the country’s electric power in keeping with its management planning. In other countries, this role is played by one or several operators, such as Mexico’s Comisión Federal de Electricidad


X.V. DE LAS RACHAS AL AMPERIO • FROM GUST TO AMPERE

alta tensión, conectándose a las redes de transporte directamente por medio de una subestación de conexión o switcheo o bien conectándose a una subestación eléctrica cercana. La elección del punto de conexión depende de las particularidades de cada proyecto y, sobretodo, de la capacidad de las infraestructuras eléctricas existentes. Conectarse a una subestación elevadora existente requiere habitualmente una ampliación del patio de alta tensión, con el consecuente coste económico y plazos de ejecución. Así mismo, es posible que la inyección de energía eléctrica en las líneas de transporte existentes exceda la cantidad de energía que el cable es capaz de llevar, por lo que puede ser necesario reforzar tramos de línea con un conductor mayor e, incluso, construir nuevos tramos. Aunque es posible predecir con relativo acierto el comportamiento del viento en un parque eólico, el gran inconveniente de la energía eólica es posiblemente su intermitencia. Es fácil entender que la generación eléctrica está condicionada al comportamiento del recurso eólico, que muchas veces no tiene por qué ir en concordancia con la demanda existente en un momento determinado. En climas mediterráneos, por ejemplo, la generación eléctrica en los parques eólicos es baja durante el verano debido que el viento es habitualmente menor que en el resto de estaciones, mientras que es precisamente en verano cuando se producen las puntas de demanda en grandes ciudades como consecuencia del uso de sistemas de refrigeración. Este carácter intermitente de la energía eólica se suma a uno de los grandes inconvenientes de la energía eléctrica, que no puede ser almacenada a gran escala y obliga a la generación a adaptarse a la demanda prevista. Actualmente existen mecanismos para gestionar este tipo de situaciones, si bien la solución dista de ser perfecta. Los excedentes de energía se pueden aprovechar para, por ejemplo, bombear agua que podrá ser utilizada por las centrales hidroeléctricas cuando no se disponga de suficiente generación, o bien para realizar exportaciones a otros países siempre y cuando exista una buena interconexión con ellos. España, por ejemplo, exporta energía a Francia en

or Transelec in Chile. Distribution infrastructures feed electric power to users and, unlike transmission infrastructures, are not usually planned in advance but are built in response to demand at any given location. Such very complex and highly ramified grids, in which medium voltage prevails, are built and operated by distribution companies such as Endesa in Spain or CONAFE in Chile. Wind farms are normally sited far from user centres, in places where the wind resource is generally most abundant. For that reason, wind farms usually deliver high voltage power directly to the transmission grid through a connection or switching substation, or into a nearby power substation. The choice of the connection point depends on project particulars and especially on the capacity of the existing electrical infrastructures. Connection to a step-up substation generally calls for expanding the high voltage switchyard, with concomitantly higher costs and longer construction times. Moreover, the electric power produced may exceed the capacity of the existing transmission lines, which may have to be reinforced with a larger conductor or even whole new stretches of cable. Although wind behaviour in a wind farm can be predicted fairly reliably, the main drawback to wind energy may be its intermittent nature. Power output can be readily understood to depend on the available wind resource, which need not concur with the power demand at any given time. In Mediterranean climates, for instance, electric power generation is low in wind farms in the summertime when the wind abates, whereas that season is characterised by demand peaks in large cities due to the use of air conditioning systems. Wind energy intermittency adds to the complexities involved in electric power in general which, as it cannot be stored on a large scale, must be adapted to the forecast demand. Mechanisms are in place today to handle such situations, although the solutions are far from perfect. Power surpluses can be used, for instance, to pump water for later use in hydroelectric plants when output slackens or for export 295


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

momentos de excedente de generación, e importa energía de ésta cuando necesita un aporte extra, si bien cabe también indicar que nuestra capacidad de interconexión eléctrica dista mucho de ser óptima. La intermitencia de la energía eólica podría, no obstante, dejar de ser un problema en el futuro. Numerosas líneas de investigación estudian actualmente el desarrollo de nuevos sistemas de almacenamiento eléctrico a gran escala, encontrando ya soluciones como baterías de ion-litio, sistemas de volantes de inercia, sistemas de aire comprimido o la utilización de supercondensadores de grafeno e hidrógeno, entre muchos otros. Destacan iniciativas a nivel europeo como el proyecto “stoRE”, aunque también se están llevando a cabo pruebas piloto en países como Japón o los Estados Unidos. Así mismo, existen iniciativas que potencian la interconexión eléctrica mediante infraestructuras HVDC (High Voltage Direct Current Grids) y FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) como solución a la integración de las energías renovables. Es especialmente interesante en este ámbito el trabajo elaborado por el grupo Friends of the Supergrid, que plantea la construcción de una superred eléctrica europea. Debemos admitir, que si bien estos sistemas formarán seguro parte de las redes eléctricas del futuro (las famosas Smart Grids, que según Japón podrían incluso llegar a ser todavía más inteligentes y llamarse Digital Grids), nuestra apuesta personal pasa por la combinación óptima de los sistemas de generación renovables como solución a los problemas de gestión actuales. La energía eólica se complementa maravillosamente con otros sistemas renovables como la energía solar o la energía geotérmica de media/alta entalpía. Usando de nuevo el ejemplo anterior, la baja generación eólica existente en verano podría ser compensada mediante una elevada generación fotovoltaica y termosolar, que alcanzan precisamente su máximo de generación en esta época. A nivel diario, la generación eólica complementa durante la noche la ausencia de generación fotovoltaica, si bien algunas de las plantas termosolares existentes en la 296

to other countries, providing good inter-connections are available. Spain, for example, exports power to France when it produces surplus power and imports it when extra electricity is needed, although the inter-connections between the two countries are less than optimal. Wind energy intermittency may, however, cease to pose problems in future. Many research teams are presently studying the development of new large-scale power storage systems. Solutions have already been found in the use of lithium ion batteries, high-inertia flywheels, compressed air systems or graphene and hydrogen superconductors, to name a few. European initiatives such as the ‘stoRE’ project are particularly prominent, although pilot testing is also underway in Japan and the United States. Other initiatives are fuelling electric power interconnections across HVDC (high voltage direct current) grids and FACTS (flexible alternating current transmission systems) to integrate renewable energies. The efforts of the Friends of the Supergrid group, which advocates for the construction of a European power supergrid, are especially promising. We must admit that whilst such systems will certainly form part of future power grids (so-called smart grids or, according to Japanese predictions, even smarter systems called digital grids), we personally believe that an optimal mix of renewable generation will ultimately be the solution to today’s management problems. Wind energy and other renewables such as solar and medium/high enthalpy geothermal energy are wonderfully complementary. To return to the aforementioned example, low summertime wind output could be offset by photovoltaic and solar thermal generation, which peak in that season of the year. In daily cycles, wind power supplements the absence of night-time photovoltaic generation, although some solar thermal plants have built-in energy storage systems consisting in huge molten salt tanks with which power can be generated by night. Last but by no means least, the growing number of electric and hybrid vehicles in the cities of the future will usher in


X.V. DE LAS RACHAS AL AMPERIO • FROM GUST TO AMPERE

actualidad incorporan sistemas de almacenamiento de energía térmica mediante tanques gigantes de sales fundidas que les permiten continuar generando electricidad incluso de noche. Por último, pero no por ello menos importante, el progresivo aumento de los vehículos eléctricos e híbridos en las ciudades del futuro supondrá grandes cambios. Además de incrementos de la demanda y cambios en la curva de demanda eléctrica, estos vehículos abren un sinfín de posibilidades. El desarrollo de sistemas “V2G” (Vehicle to Grid) y “V2H” (Vehicle to Home) permitirán utilizar las baterías de los vehículos eléctricos como un gigantesco sistema de almacenamiento, absorbiendo excedentes de generación y aportando energía al sistema cuando sea necesario. Si el lector desea adentrarse más en este ámbito, en el apartado 6.3 del libro se profundiza en el nuevo modelo energético del futuro. La integración de la energía eólica en los sistemas eléctricos tiene una serie de particularidades que suponen actualmente una dificultad de gestión, dificultades que es de esperar aumenten a medida que se incremente la cantidad de parques eólicos conectados a ello. Los principales implicados son conscientes de los retos que una transición energética hacia un paradigma eléctrico predominantemente renovable supone, pero se está trabajando intensamente y son de esperar grandes avances en el futuro.

huge change. In addition to prompting demand-side increases and changes in the power demand curve, these vehicles open the gates to countless possibilities. With the development of ‘V2G’ (vehicle-to-grid) and ‘V2H’ (vehicle-to-home) systems, electric vehicle batteries could be used as huge storage systems, absorbing surplus power outputs and feeding electricity back into the system when needed. Readers interested in pursuing this question in greater depth are referred to sub-chapter 6.3 of this book where the energy model of the future is described in detail. Today’s management difficulties created by the particularities that characterise the integration of wind energy can be expected to intensify as the number of wind farms connected to the grid rises. Despite the challenges posed by the transition to an electric power paradigm based predominantly on renewable energy, of which none of the key stakeholders is unaware, relentless efforts are being made and promising developments are in the offing.

297


298


11. ENERGIA EÓLICA MARINA • OFFSHORE WIND ENERGY JOSE SERNA GARCÍA-CONDE

1. La O portunidad

que el

M ar

nos

O frece

1.1 Los fundamentos El origen de la utilización del viento por parte del hombre probablemente se sitúe en el mar y sus primeros navegantes. Y es de nuevo al mar a donde volvemos a mirar en busca de un mayor y mejor aprovechamiento de este recurso limpio e inagotable. Y también de nuevo es la inmensidad y fuerza del exigente océano quien desafía e impulsa el ingenio del hombre para el desarrollo de tecnologías que permitan hacerlo de forma cada vez más segura, limpia y económica. A lo largo del presente capítulo, exploraremos brevemente la situación de este joven y prometedor mercado lleno de retos y oportunidades, y de las tecnologías en constante desarrollo que lo sostienen y empujan. Al hacerlo, pasaremos con más detenimiento por aquellas áreas en las que Esteyco está volcando su experiencia, conocimiento e ilusión para contribuir con su granito de arena al progreso de esta industria que, estamos convencidos, habrá de jugar un papel protagonista en el futuro mejor –y más sostenible– que logremos dejar a nuestros hijos. Si el viento fuera petróleo, sin duda sería en el mar donde se concentrarían sus más ricos yacimientos, que en el caso del viento nunca agotaremos. Y ello no sólo por la evidencia de que tres cuartas partes de éste nuestro planeta azul estén cubiertas de agua (fig. 1). La riqueza del recurso que el mar nos ofrece viene también motivada por otros diversos factores, y puede convenir para ilustrarlos repasar de nuevo alguno de los fundamentos del aprovechamiento de la energía del viento. Así como la energía nuclear tiene su fundamento esencial en la archifamosa fórmula E = m· c2, si la energía eólica tuviese

1. The S ea :

an I nherent

O pportunity

1.1 The fundamentals In all likelihood, the origin of humanity’s use of wind lies in the sea and the earliest sailors. Aeons later, we’re again looking to the sea to harness more of that inexhaustible resource. And once again the challenge driving our ingenuity to develop technologies with which to capitalise on that resource more safely, cleanly and inexpensively lies in the vast space and inestimable strength of the oceans. This chapter briefly explores the state-of-play of this young and promising market rife with challenges and opportunities and the ever-developing technologies by which it is supported and fuelled. The discussion focuses in greater detail on the areas in which Esteyco is devoting its experience, expertise and enthusiasm to contribute in its modest way to progress in an industry which, we are persuaded, will play a lead role in building the better – and more sustainable – future we aspire to bequeath to our children. If the wind were oil, its richest fields would surely be in the sea, with the essential difference that wind fields will never be depleted. The reason for that abundance isn’t only because three-quarters of this our blue planet are submerged in water (Fig. 1). The wealth of the resource that the sea has to offer lies in other factors as well. A review of some of the fundamentals of harnessing wind energy may be in order by way of illustration. (izquierda / opposite) Fig. 1. Imagen satélite de la cara oculta de la Tierra Fig. 1. Satellite image of the ‘far side’ of the Earth 299


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

que escoger una ecuación descriptiva de sus fundamentos, ésta sin duda sería: E = ½ ρ·A· v3 Esta fórmula nos indica que la energía que un aerogenerador es capaz de extraer del viento es proporcional a la densidad ρ del aire, al área A que sus palas barren (ver figura 21), y al cubo de la velocidad v del viento al que se enfrenta. El mar, como veremos, habrá de permitirnos elevar los tres parámetros –ρ, A y v– para de ese modo multiplicar el valor de la E que perseguimos. En primer lugar, la propia densidad del aire ρ es lógicamente mayor a nivel del mar que a mayores alturas en tierra firme. Concretamente, y a modo de ejemplo, a igual velocidad de viento, el mismo aerogenerador producirá aproximadamente un 10% más a nivel del mar, donde la densidad del aire es de 1.23 kg/m3 a 15ºC, que en un parque a 1 000 m de altitud en tierra, en el que la densidad del aire se reduce a 1.11 kg/m3 a igual temperatura. En segundo lugar, también el área A barrida por el rotor de nuestros aerogeneradores podrá ser mayor en el mar. Lógicamente, dicha área A depende en primer lugar de la longitud de palas, pero también en consecuencia de la torre, que debe elevarse más para soportar un rotor de más diámetro, y claro está de la propia nacelle que crecerá en masa y tamaño para procesar la mayor potencia que un mayor barrido del rotor puede generar. Ya hemos visto en capítulos anteriores la clara tendencia de la industria desde sus inicios hacia rotores de mayor área A de barrido. Sin embargo, el crecimiento sostenido que han vivido los aerogeneradores en tierra se está viendo ralentizado (fig. 3) conforme la tecnología se aproxima al techo en lo que se refiere al eficiente manejo y traslado en tierra de unos componentes cada vez más grandes y pesados. No en vano, los aerogeneradores han crecido hasta convertirse, de largo, en la maquina giratoria más grande que jamás haya construido el hombre. Los condicionantes que su manipulación y transporte imponen 300

Just as nuclear energy is based essentially on the more than famous formula E = m· c2, if an equation were to be chosen to describe the fundamentals of wind energy, it would indisputably be: E = ½ ρ·A· v3 That formula tells us that the energy that can be drawn from the wind by a wind turbine is proportional to air density, ρ, the area swept by its blades, A (see Figure 21), and the cube of the wind speed v at any given time. As we’ll see, the values of all three parameters (ρ, A and v) and hence of the amount of ‘E’, are higher on the ocean than on land. To begin with, air density itself, ρ, is logically greater at sea level than at higher inland altitudes. More specifically, at a given wind speed and a temperature of 15 °C the output of one and the same wind turbine is approximately 10 % greater at sea level, where density is 1.23 kg/cm3, than at an elevation of 1 000 m, where density is just 1.11 kg/cm3. Secondly, wind turbine rotors can sweep a greater area, A, at sea. That area logically depends firstly on blade length and hence on the height of the tower, which must be increased to bear larger diameter rotors and the bigger and heavier nacelles needed to process the greater amount of energy generated by rotors that sweep a larger area. Earlier chapters of this book have identified the clear trend in the industry from the outset toward rotors with a larger sweep, A. Nonetheless, the sustained growth in onshore wind turbine size is waning (Fig. 3) as efficient land-side handling and shipping of ever larger and heavier components reach their respective ceilings That is unsurprising, for wind turbines have grown to being by far the largest rotating machines ever built. The factors conditioning large-scale component handling and transport are prompting difficulties and limitations increasingly difficult to overcome on land (Fig. 2). In contrast, the sea is the medium chosen for transporting the largest man-made constructions or structures ever moved (Figs 4). In its vast waters, the factors that limit the size and


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

OFFSHORE WIND ENERGY

(m) 120

(MW) 3

80

2

Evolución de la potencia nominal media de los aerogeneradores Average nameplate capacity

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2006

0

2004-05

0

2002-03

40 2000-01

1 1998-99

en tierra están generando dificultades y límites cada vez más difíciles de superar (fig. 2). El mar, en cambio, está acostumbrado a recibir las más grandes construcciones o estructuras que nunca el hombre haya movido (fig. 4). En sus vastas aguas dichos condicionantes ligados al porte y carga de grandes piezas pueden ser mucho menos restrictivos, si dichas piezas se ingenian para adecuarse a tal propósito. Y será por tanto en la amplitud de los mares y océanos donde como veremos la industria puede encontrar vía libre para dar continuidad al hasta ahora imparable crecimiento de rotores y turbinas. Crecimiento que desde los albores de la energía eólica moderna ha redundado en una mayor eficacia de costes en la producción de energía. En tercer y último lugar, no desde luego por importancia, tenemos la velocidad de viento, v; es por supuesto este parámetro, que contribuye al cubo a la energía generada, el que ante todo buscamos incrementar cuando miramos al mar. En efecto, sobre las inabarcables llanuras de agua es donde el viento se desarrolla con mayor intensidad, regularidad y calidad. La figura 5 representa la cuantía del recurso eólico en Europa, indicando la velocidad media anual a 80 m de altura. Resulta patente el salto en la velocidad de viento que se produce al cruzar la frontera delimitada por la línea de costa, y al valorarlo debe recordarse que su influencia sobre la energía del viento actúa con el cubo. El viento que en las áreas en rojo oscuro del mar del Norte o el mar de Irlanda sopla a 10 m/s, contiene por tanto 8 veces más energía que el viento que en las zonas azuladas del interior del continente fluye a 5 m/s. En efecto, la tierra con su relieve y los obstáculos al movimiento del aire que alberga, tiende no sólo a frenar el viento y restarle energía, sino también a generar turbulencias que incrementan el esfuerzo y desgaste de los aerogeneradores que lo enfrentan. Lógicamente ese indeseable efecto es mayor cuanto más cerca de la superficie nos encontremos, y es uno de los principales motivos por el que, como hemos visto en el capítulo X.II, las torres onshore tienden a ser cada vez más altas, alejando el

Evolución del promedio del diámetro y de la altura del buje Average rotor diameter and hub height

(arriba / above) Fig. 2. Transporte de una nacelle, una pala y un tramo de torre. La logística y medios para el transporte e instalación de sus componentes están dificultando y frenando el crecimiento de los aerogeneradores en tierra Fig. 2. Transporting nacelle, blade and a section of tower: illustration of how component transport and installation logistics and resources are hampering and curbing onshore wind turbine growth (abajo / below) Fig. 3. Evolución de la potencia media y altura de los aerogeneradores instalados en Dinamarca. El rápido crecimiento tiende ya a ralentizarse en tierra. (Fuente: IRENA) Fig. 3. Mean capacity and height of wind turbines installed in Denmark (1998-2013) showing the slowdown in onshore growth (source: IRENA) 301


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Fig 4. Plataforma petrolífera Troll A, en el mar del Norte noruego. Con diferencia la más grande estructura nunca trasladada por el hombre (472 m de altura y 656 000 tn de peso) 302

Fig. 4. Troll A oil platform off the Norwegian shore of the North Sea, far and away the largest structure ever shipped (472 m high, weighing 656 000 t)


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

aerogenerador de la superficie en busca de vientos más veloces y menos turbulentos. Pero en general nunca llegaran a serlo tanto como los que se generan sobre la inmensa planicie libre de obstáculos del mar. El modo en que el viento pierde velocidad conforme se acerca a la superficie se denomina cizalladura del viento o wind shear y depende fundamentalmente del nivel de fricción que dicha superficie impone. La figura 6 muestra las típicas curvas de wind shear que suelen observarse en distintas zonas. Lógicamente, la pérdida de velocidad es más acusada en zonas en las que hay más obstáculos en superficie, como pueden ser zonas boscosas, que son por tanto las zonas que demandan torres de mayor altura. Por el contrario, es sobre el agua donde el viento se frena menos y donde además es de mayor calidad por su menor nivel de turbulencia. Pero el mar no sólo ofrece mayores ρ, A y sobre todo v para incrementar la energía generada, sino que ofrece con casi ilimitada abundancia otro recurso que en muchas zonas onshore es escaso y caro: el espacio. Y como es lógico la escasez y coste de ese espacio necesario en tierra se incrementa precisamente en las zonas de más actividad económica y densidad de población, que son las que más demandan los recursos energéticos que perseguimos y que con frecuencia tienden a ubicarse en zonas costeras, como se ilustra en la figura 8. A modo de ejemplo, casi tres cuartas partes de la energía consumida en los Estados Unidos la consumen estados costeros, que son una proporción mucho menor de la superficie del país. Sin duda éste también es uno de los motivos por los que la energía eólica offshore se ha desarrollado primero y con más intensidad en el norte de Europa, mientras que en otros mercados o regiones con menor densidad de población y mayor disponibilidad de espacio abierto en tierra cabe esperar un desarrollo mucho más lento. Debe además tenerse presente que el coste del espacio no sólo se mide en euros. Los parques eólicos generan energía limpia y renovable, contaminando cualitativamente menos que otras fuentes a las que tienden a sustituir, pero como toda actuación

OFFSHORE WIND ENERGY

weight of large-scale components constitute much less of a constraint than on land, as long as those components are well engineered to that purpose. Hence, the seas and oceans are the setting where the industry will give full rein to the relentless growth in rotor and turbine size, growth that from the advent of modern wind energy has redounded to more cost-efficient electricity generation. Third and last but certainly not least, we have wind speed, ‘v’. This is of course the parameter whose cubed value contributes most to the power generated, raising the amount of which is our primary aim when we look toward the sea. Indeed, wind is most intense, regular and of highest quality as it blows across the ocean’s endlessly flat waters. Figure 5 depicts the wind resource in Europe, showing the mean yearly speed at an altitude of 80 m. The obvious spike in that value as we cross the coastline is the more significant bearing in mind that its effect on energy is raised to the third power. In other words, the wind, that blows at 10 m/s in the dark red areas on the North and Irish Seas, carries eight times more energy than the wind on the blue inland areas where the speed is 5 m/s. With its relief and obstacles to air movement, dry land tends not only to curb the wind and diminish its energy, but also to generate turbulence that increase the stress and wear on the wind turbines in its path. Such undesirable effects are logically greater closer to the surface, which is one of the primary reasons that, as observed in Chapter X.II, onshore towers tend to be built higher and higher, to lengthen the distance between the turbine and the ground in pursuit of a faster and less turbulent wind flow. Even so, it will never blow as fast or as regularly on land as over the vast obstacle-free waters of the sea. The decline in speed as wind nears the surface, called wind shear, depends essentially on the amount of friction induced by that surface. Figure 6 shows standard wind shear curves for different areas. The decline in ground level speed is logically more accentuated and the need for higher towers therefore 303


CON EL VIENTO A FAVOR

โ€ข

WITH A FAIR WIND

Fig. 5. Recurso eรณlico en Europa (Fuente: AWS Truepower) 304

Fig. 5. Wind resource in Europe (source: AWS Truepower)


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

Altura efectiva (z − d) (m) / Effective height

Velocidad de viento geostrófico = 10 ms−1 Geostrophic wind speed = 10 ms−1 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

1. Bosque / Forest (z0 = 2.0 m) 2. Ciudad / Town (z0 = 0.5 m) 3. Campo / Forest (z0 = 0.05 m) 4. Agua / Water (z0 = 0.0002 m)

1

1

2

3

2 3 4 5 6 7 8 Velocidad de viento (ms−1) / Wind speed

4

9

10

Fig. 6. Variación de la velocidad media del viento con la altura en condiciones neutras para cuatro valores típicos de longitud de rugosidad superficial (z0). La velocidad del viento geostrofico se fija en 10 m/s Fig. 6. Variation in mean wind speed with height for neutral conditions and four typical values of surface roughness length (z0) at a constant geostrophic wind speed of 10 m/s

humana pagan también un cierto precio medioambiental, que en el caso de la energía eólica va fundamentalmente asociado al impacto visual y en menor medida al ruido. De nuevo, las áreas de más densidad y demanda energética son también las más sensibles a dichos efectos. Pero la energía eólica offshore permite mitigarlos en gran medida, incluso en zonas próximas a los núcleos de población. Aproximadamente 5 km mar adentro, los parques dejan de ser visibles desde la costa y el ruido de las palas en su productivo giro pierde toda relevancia.

1.2 El contexto global Todo lo anterior se ubica al mismo tiempo en un contexto global en el que ya nadie cuestiona la inapelable necesidad de un cambio urgente hacia un modelo energético más sostenible y que limite la escalada que el último siglo ha visto en la generación de gases de efecto invernadero, directamente asociados a los fenómenos de calentamiento global y cambio climático.

OFFSHORE WIND ENERGY

greater in obstacle-dense areas such as forests. In contrast, offshore wind is not only less constrained, but its quality is higher due to the lack of turbulence. The sea, however, not only affords higher ρ, A and especially v, raising the amount of energy generated, but also a nearly unlimited supply of another resource that is scarce and expensive at many onshore locations: space. Logically also, the paucity and cost of the space needed on land rise precisely in areas where economic activity and population density are highest, areas where the demand for the energy resource sought is greatest and which tend to be sited along the coast, as shown in Figure 8. By way of example, in the United States nearly three-quarters of the nation’s energy output is consumed in the coastal states, which account for a much smaller proportion of its land area. That is surely one of the reasons that offshore wind energy developed first and most intensely in northern Europe, whereas development may be expected to take off much more slowly in other markets or regions with lower population densities and greater availability of open inland space. (Fig. 7). Another factor to bear in mind is that the ‘cost’ of space is not measured in euros alone. Wind farms generate clean and renewable energy, polluting qualitatively less than the other sources they tend to replace. Nonetheless, like all human activity, they come at a certain environmental price, in this case essentially visual impact and, to a lesser extent, noise. Here also, heavily populated areas with a high energy demand are most sensitive to such effects, which are greatly mitigated offshore, even in areas close to urban centres. Approximately 5 km seaward, farms are not visible from the coast and any noise generated by their productively rotating blades is obviously inaudible onshore.

1.2 The global context All the foregoing is set against a global backdrop in which no-one any longer questions the pressing need for a more sustainable energy model able to curb the steep rise over the 305


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Fig. 7. El mar y su inabarcable abundancia de viento y espacio abierto. Parque eólico en Anholt, Dinamarca (400 MW, 111x3.6 MW)

Fig. 7. The sea, its vast wind resource and open space: Anholt Offshore Wind Farm, Denmark (400 MW, 111x3.6 MW)

(autor: Katrin Scheib, sept. 2014)

(author: Katrin Scheib, sept. 2014)

Ello ya tiene su reflejo a nivel de las principales instituciones, muestra del cual es por ejemplo la estrategia Europa 2020 de la UE, que establece el firme objetivo por parte de los países que la integran para reducir un 20% la emisión de gases de efecto invernadero en 2020 con respecto a los niveles de 1990, asegurando para ello que al menos un 20% de la energía provenga de fuentes renovables. Plan que ya tiene continuidad en nuevos objetivos oficiales para 2030 en Europa (The 2030 framework for climate and energy policies), que establecen un 27% de producción con energía renovable y una reducción de gases de efecto invernadero del 40% respecto a 1990.

last century in the greenhouse gas emissions that are directly associated with global warming and climate change. That is already mirrored in institutional policy, such as the EU’s ‘Europe 2020’ strategy, a package of binding legislation that requires member countries to reduce greenhouse gas emissions by 20 % over their 1990 levels by 2020, to which end 20 % of their energy is to be sourced from renewables. That strategy now has a sequel with new official targets for 2030 (The 2030 framework for climate and energy policies), whereby 27 % of energy is to be produced with renewables and greenhouse gas generation is to be lowered by 40 % compared with 1990.

La ONU, desde el protocolo de Kyoto en 2005, viene también impulsando sucesivos acuerdos internacionales en similar línea, a los que como un hito se han sumado también en 2014 –ya con objetivos y cifras concretas– los dos principales emisores del mundo, Estados Unidos y China. El primero tiene como objetivo reducir emisiones un 26-28% respecto a 2005 en 2025, y el segundo ha anunciado su plan para no incrementar emisiones a partir de 2030 y asegurar al menos un 20% de generación sin combustibles fósiles.

Since the 2005 Kyoto Protocol, the UN has also been encouraging international agreements along these same lines, to which the world’s two most active emitters, United States and China, adhered in 2014 with specific targets, a landmark achievement. The former aims to lower its emissions by 26-28 % in 2025 from their 2005 levels, and the latter has announced a plan to refrain from raising emissions beginning in 2030 and ensure that at least 20 % of its energy is generated with other than fossil fuels.

A estas ya de por sí poderosas razones medioambientales y de sostenibilidad, se unen además importantes motivaciones

These powerful environmental and sustainability-related reasons are reinforced in many nations by significant geo-

306


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

OFFSHORE WIND ENERGY

geoestratégicas por parte de muchas naciones en lo que a dependencia energética del exterior se refiere. Al mismo tiempo, vivimos en un mundo en incesante desarrollo que tampoco cesa por tanto en su creciente demanda de energía (ver figura 8), y que mantiene por ello una enorme dependencia de los combustibles fósiles que a día de hoy sostienen la mayor parte de la generación de energía en el mundo, y con ella en buena medida su modelo económico. La capacidad de generación de energía limpia que necesitaremos para reducir el peso de las fuentes más contaminantes y al mismo tiempo atender el crecimiento en la demanda de energía es enorme y supone un gran reto para las sociedades modernas. Máxime cuando entre las fuentes de energía libres de emisiones, son escasas las que se encuentran en situación de ofrecer una alternativa con capacidad para proporcionar un volumen de generación suficiente para influir de forma relevante en el mix de producción energética a nivel global. Por supuesto, la energía nuclear y sobre todo la energía hidráulica, reina de las renovables, jugarán en dicho proceso un importante papel, pero no todas las áreas geográficas o países presentan las condiciones adecuadas para su desarrollo, y ni

strategical motivations inspired by their energy dependence.

Fig. 8. La demanda global de energía crece de manera continuada. La IEA (International Energy Agency) prevé que la energía consumida a nivel global en 2030 supere, entre un 30 y un 45%, a la que se consumía en 2007

Fig. 8. Constant growth in global energy demand, with power consumed in 2030 expexted to be 30-45 % higher than in 2007 (International Energy Agency IEA forecast)

At the same time, we live in an ever developing world with relentlessly growing energy demands (see Figure 8) where heavy dependence on the fossil fuels that source most of the power generated worldwide awards those resources a lead role in our economic model. The immense clean energybased generation that will be needed to lighten the weight of the most polluting sources and at the same time meet the rising demand for electric power constitutes one of modern societies’ major challenges. This is particularly true since very few of the emissions-free sources are in a position to provide an alternative able to generate enough power to have a material effect on the worldwide energy mix. Nuclear and especially hydro energy, queen of the renewables, will logically play a major role in that process, although the conditions required for their development are not present in all geographic areas or countries. Building huge dams and nuclear power plants logically entails other serious implications not addressed here that nonetheless limit the pace, volume and universalisation of the growth potential of these energies.

307


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

que decir tiene que la construcción de grandes presas y más aún centrales nucleares tiene toda otra serie de implicaciones, en las que no se pretende entrar aquí, pero que en todo caso limitan en mayor o menor medida la velocidad, volumen y generalización de su posible crecimiento. Será por ello necesario que a dicho cambio de modelo contribuyan de forma decisiva las llamadas tecnologías alternativas para la obtención de energía renovable, y entre las que se cuentan, además de la eólica, la energía geotérmica, la energía solar fotovoltaica o térmica, la mareal, la energía obtenida de biomasa o la de las olas, entre otras. La biomasa por ejemplo, genera en ciertos mercados energía a costes muy competitivos y la solar fotovoltaica ha vivido en el último quinquenio una espectacular reducción de costes que impide ya catalogarla de energía muy cara. El nivel de desarrollo y competitividad económica que presentan estas diversas fuentes es en todo caso desigual y en muchos casos todavía insuficiente como para esperar que a corto y medio plazo puedan jugar un papel muy relevante en el cambio perseguido. No es ese sin embargo el caso de la energía eólica, que como se ha ilustrado en varios de los anteriores capítulos ha vivido un espectacular desarrollo en las últimas décadas y destaca ya por su madurez y economía, compitiendo hoy en muchos mercados con las fuentes convencionales de energía tanto en volumen como en coste. No en vano lidera el ranking en lo que a nueva potencia instalada se refiere en mercados de referencia como Europa (43% de la nueva potencia instalada en 2014) o Estados Unidos (de 2007 a 2012) y está también jugando una papel decisivo en los incrementos de potencia de Brasil, China o India. El paradigma de lo que la energía eólica puede llegar a aportar lo vemos ya hoy en el mercado danés, en el que el viento proporciona actualmente más de un tercio de la energía consumida anualmente, habiendo llegado a casi dos tercios en los meses más ventosos. Todo ello hace que la energía eólica esté llamada a jugar un papel de gran relevancia en la ineludible transición hacia ese 308

For that reason, so-called alternative technologies, which in addition to wind include, among others, geothermal, solar thermal or photovoltaic, tide, biomass and wave energy, must make a decisive contribution to the generation of renewable electric power. Biomass, for instance, generates at very competitive costs in some markets, and solar photovoltaic costs have dived so spectacularly in the last 5 years that this can no longer be regarded as a very expensive source. The degree of development and cost-competitiveness of these sources are uneven, however, and often still insufficient to expect them to be able to play a significant role in short- or medium-term change. That is not the case, however, of wind energy, which as observed in several of the preceding chapters, has undergone such astonishing development in recent decades that its maturity and economics, and hence output and price, now enable it to compete effectively with conventional sources on many markets. Indeed, it is the market leader in the amount of new installed capacity in prominent geographies such as Europe (43 % of the total in 2014) and the United States (20072014), for instance, and accounts for a significant share of capacity rises in Brazil, China and India. The paradigm of what wind energy can become is already visible in Denmark, where wind currently supplies over one-third of the country’s annual consumption and up to two-thirds in the windiest months. All that is indicative of the major role that wind energy is destined to play in the inevitable transition to the world’s cleaner, more sustainable and independent new energy model. The European Wind Energy Association (EWEA) estimates that wind will source one-fourth of the electricity consumed in Europe in 2030. Onshore wind farms, which in the present century have economised costs far more than forecast by the most optimistic of predictions and which continue to improve in that respect, will foreseeably generate a major share of that power. Nonetheless, the capacity that needs to be installed to implement the new model may call for space unavailable in certain areas, where it may need to be earmarked for other uses


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

OFFSHORE WIND ENERGY

nuevo modelo energético más limpio, sostenible e independiente. EWEA (European Wind Energy Association), por ejemplo, estima que la eólica proporcionará en 2030 un cuarto de la energía consumida en Europa. Es de esperar que dicha contribución venga liderada por los parques en tierra, que han alcanzado en lo que llevamos de siglo una economía de costes que ha superado las más optimistas predicciones y que sigue mejorando. Sin embargo, las potencias que deberán instalarse para hacer posible el nuevo modelo perseguido pueden requerir una ocupación de espacio que en ciertos casos no pueda ser absorbida por el territorio. Un territorio que el crecimiento y progreso de las sociedades demandarán también para otros usos, en particular en las más densificadas zonas costeras.

to ensure social growth and progress, particularly in densely populated coastal zones.

En cambio el mar, con su abundancia de espacio y viento, ofrece una extraordinaria oportunidad para cosechar enormes cantidades de energía limpia, cerca de los centros de demanda, y consumiendo un “combustible” que es local e inagotable. No ha de extrañarnos por tanto que algunas de las economías más avanzadas del mundo, como la alemana o la japonesa, hayan visto en el viento marino una alternativa con potencial suficiente para reemplazar eventualmente a sus potentes reactores nucleares. En esa línea de nuevo el mercado danés se adelanta a su tiempo proporcionándonos ejemplos actuales de ese potencial, como el del parque offshore de Anholt (fig. 7), que por sí sólo produce un 4% de la energía del país.

In fact, the offshore projects presently in the pipeline for 2025 would translate into capacity equivalent to around 40 nuclear plants. The huge potential market that entails will, as discussed below, call for a gradual lowering of costs and hence innovative solutions and technologies. We are consequently facing a scenario of enormous opportunity and no less sizeable challenges. These two factors, market and technology, are addressed respectively in sections 2 and 3 below.

De hecho, el pipeline de proyectos offshore en desarrollo actualmente prevería, para el año 2025 una potencia de eólica marina que como orden de magnitud equivaldría a la construcción de más de 40 centrales nucleares. Ello supone un gran mercado potencial, que como veremos va a exigir para su desarrollo y crecimiento una gradual reducción de costes y que demandará para ello soluciones y tecnologías innovadoras. Situación que genera un escenario de grandes oportunidades y no menos destacables desafíos. A ambos aspectos, mercado y tecnología, nos referiremos respectivamente en las secciones 2 y 3 a continuación.

The sea, in contrast, with its abundance of space and wind, affords an extraordinary opportunity to harness enormous amounts of clean energy close to demand centres, while consuming a local, inexhaustible ‘fuel’. It should come as no surprise, then, that some of the world’s most advanced economies such as Germany and Japan have seen in offshore wind the potential to replace eventually their powerful nuclear reactors. The Danish market has anticipated the future in this respect also, materialising that potential in facilities such as its Anholt offshore farm (Fig. 7) that alone generates 4 % of the country’s electric power.

2. E conomic F actors

and the

M arketplace

Further to the preceding discussion, given that offshore wind energy affords a unique opportunity to contribute decisively to meeting one of modern societies’ most indisputable and pressing needs, the question to be posed is obviously: why is it being implemented and developed quickly on so few of the worlds’ markets? The answer to that question is fairly straightforward: whilst an offshore facility produces on the order of twice as much electricity as an equivalent onshore turbine, at this writing installation and maintenance costs are three-fold greater in the former than in the latter. The most mature onshore wind 309


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

2. A spectos E conómicos

y de

M ercado

Considerando lo expuesto en la sección anterior, y si en efecto la energía eólica marina ofrece una singular oportunidad para contribuir decisivamente a satisfacer una clara y acuciante necesidad de las sociedades modernas, la pregunta que se suscita parece obvia: ¿Por qué su rápida implantación y desarrollo se limita todavía a sólo algunos mercados en el mundo? La respuesta en lo básico no es ningún misterio: aunque como orden de magnitud un MW eólico en el mar produzca el doble de energía que uno instalado en tierra, a día de hoy el coste de instalación y mantenimiento del primero más que triplica al del segundo. El coste ponderado de la más madura energía eólica en tierra ya compite en muchos casos con el de las fuentes convencionales. El de la más joven eólica marina todavía no. De dicha realidad cabe destacar dos implicaciones generales en las que se enmarca hoy el mercado de la eólica marina: –– En primera instancia, el desarrollo de la eólica offshore a corto y medio plazo dependerá del apoyo político. Apoyo que con visión estratégica invierta en unas tarifas de remuneración de la producción de energía con valor y seguridad temporal suficientes para permitir el desarrollo de un mercado y una industria. –– En segunda instancia, lo anterior deberá resultar en un progresivo desarrollo industrial y ante todo tecnológico que redunde en una gradual y significativa reducción de costes que eventualmente anule o limite la dependencia del soporte político. El desarrollo global y a largo plazo de la eólica marina dependerá de ello. En referencia al primero de estos dos aspectos, son varios los países que desde hace años están acertando a impulsarlo con mayor o menor determinación, y el mercado presente y futuro de la eólica marina es ya hoy de un prometedor volumen y proyección en varios mercados, lo que se ilustrará en la siguiente sección 2.1. En lo que se refiere al modo en que la industria está respondiendo ante el reto que supone el segundo aspecto, lo trataremos al menos en parte en la sección 3. 310

technology is already often cost-competitive with conventional sources. That cannot yet be said of its ‘daughter’, offshore wind energy. Those facts have two general implications for today’s offshore wind market: –– Firstly, the short- and medium-term development of offshore wind energy will be contingent upon political support. That support should come in the form of strategic investment in remuneration for electricity production at rates and for a guaranteed timeframe that suffice to develop the industry and its market. –– Secondly, the foregoing must give rise to progressive industrial and especially technological development able to redound to a gradual and significant lowering of cost that will steadily eliminate or limit dependence on public (€) 500

1984 100

1990 2000

50

10 100

1 000

10 000

2004

100 000

2012

14%

1 000 000 (MW)

Fig. 9. Evolución temporal del coste (€/MWh) de la energía eólica onshore, con un ratio de mejora medio del 5% anual, y que hoy compite en eficiencia económica con las fuentes convencionales (Fuente: Bloomberg New Energy Finance) Fig. 9. Onshore wind turbine costs (€/MWh) over time, with a mean yearly decline of 5 % and concomitant rise in economic efficiency that enable wind to compete with conventional sources (source: Bloomberg New Energy Finance)


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

Antes, sin embargo, puede resultar conveniente destacar la analogía que lo anterior presenta con el que ha sido el desarrollo de la eólica en tierra. En sus inicios la eólica onshore también ha dependido durante muchos años de algún tipo de incentivo o subvención adecuadamente establecida en sus mercados primigenios para promover el desarrollo de una energía limpia, sostenible y autóctona. Pero la industria respondió con un desarrollo tecnológico que eventualmente redujo los costes a gran velocidad hasta hacerlos insospechadamente competitivos (ver fig. 9), al tiempo que generaba actividad económica, tejido industrial, intensa ocupación y un conocimiento y capacidad tecnológica de gran potencial exportador. Riqueza en definitiva. Creo que pocos dudarían en catalogarla como una historia de éxito. Podría de algún modo entenderse que la eólica marina esta hoy donde la eólica terrestre estuvo ayer, en un proceso de desarrollo que busca reproducir dicho éxito. Analogía que también aplica a nivel territorial, pues en su día también fue Europa la principal impulsora del concepto moderno de energía eólica onshore que rápidamente se extendió y sigue extendiéndose con notable éxito al resto del mundo y en particular a otros grandes mercados como China y USA que han ido escalando hasta liderar los rankings de potencia instalada. Del mismo modo, la eólica marina tiene hoy a Europa como su principal impulsora, pero es esperable que la historia se repita y según aumente su madurez otros grandes mercados la sigan, como está ya sucediendo en particular con China o Japón, y todavía tímidamente Estados Unidos. La actual apuesta de Europa por liderar el desarrollo e innovación en este sector le dará la ventaja del First mover en un sector cuyas tecnologías tendrán un muy elevado potencial exportador a medio y largo plazo.

2.1 Mercado presente y futuro de la energía eólica marina Al acabar el año 2014 había instalados en el mundo cerca de 9 000 MW de energía eólica offshore, de los que algo más del 90% están Europa y el resto en Asía. La figura 10 muestra la

OFFSHORE WIND ENERGY

funding. That will be an imperative for global, long-term offshore wind development. In connection with the first factor, several countries have been moving more or less decisively in that direction for years. The present and projected offshore wind output is highly promising in a number of those markets, as discussed in section 2.1 below. Industry’s response to the challenges posed around the second factor is discussed at least partially in section 3. First, however, an analogy with the onshore wind industry may be in order. At the outset and for many years, the onshore wind industry and its incipient marketplace also depended on some manner of suitable incentive or subsidy to further the development of clean, sustainable and autochthonous energy. The industry responded, however, with technological development that eventually lowered costs at a pace that made wind power unforeseeably competitive (see Figure 9), while generating business activity, an industrial fabric, intense employment growth and potentially exportable knowledge and technological expertise: wealth, in a word. Few people would hesitate to call that a success story. The offshore industry might be thought to tread today along the path to successful development cleared by its onshore parent yesterday. This analogy is also applicable geographically, for Europe was initially the main driver of the modern approach to onshore wind energy, which spread quickly and continues to spread successfully to the rest of the world, particularly in major markets such as China and the USA, which have climbed to the top positions worldwide. Similarly, Europe is the main driving force behind offshore wind today. History may be expected to repeat itself, however, and as the industry matures other large markets will surely follow suit: China and Japan in fact already are, as is the United States, albeit more hesitantly. Europe’s current punt on leading industry development and innovation will nonetheless afford it a ‘first mover’ advantage in a field in which technology has high medium- and long-term export potential. 311


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

potencia acumulada distribuida por países, tanto a final de 2013 como a final de 2014. El principal impulsor y mercado para la eólica marina hasta la fecha ha sido con diferencia el Reino Unido, si bien cabe esperar que en los próximos años también Alemania se convierta en un mercado de gran volumen. Francia, Holanda, Bélgica y los países escandinavos con Dinamarca a la cabeza serán también a corto plazo mercados importantes, aunque menores. En Asia, China concentra la mayor parte de las instalaciones hasta la fecha, aunque en su mayoría todavía en zonas muy próximas a la costa y de mínima profundidad, inferior en ocasiones a la propia carrera de marea. Todos ellos están invirtiendo en el desarrollo de un mercado e industria de presente y futuro, para lo que se apoyan en las condiciones favorables de elevado viento y moderada profundidad con las que cuentan en buena parte de sus aguas. Ello ha propiciado la creación de un amplio y prometedor mercado, cuya evolución y crecimiento exponencial hasta la fecha se recoge, a nivel europeo, en la figura 11. (MW) 5 000 4 000

Capacidad de acumulación 2013 Cumulative capacity 2013 Capacidad de acumulación 2014 Cumulative capacity 2014

3 000 2 000

312

Portugal

Norway

Korea

Japan

Ireland

Finland

Sweden

Netherlands

PR China

Belgium

Germany

Denmark

0

United Kingdom

1 000

2.1 The offshore wind energy market: present and future At year-end 2014 around 9 000 MW of offshore wind capacity were installed worldwide, a little over 90 % of which was located in Europe and the rest in Asia. Figure 10 shows the cumulative capacity by country at year-end 2013 and 2014. The primary driver and market for offshore wind to date has been the United Kingdom, although Germany may be expected to become a large-scale market in the years to come. France, Netherlands, Belgium and the Scandinavian countries, headed by Denmark, will also constitute significant, albeit smaller, markets in the short tem. In Asia, most of the facilities built to date are located off China’s shores, although very close to the coast and at shallow depths, lower in some cases than the intertidal zone. These countries are investing in the development of today’s and tomorrow’s market and industry, encouraged by the favourable wind conditions and moderate depths of most of their territorial waters. That has fostered the creation of a broad and promising market whose exponential development and growth in Europe are illustrated in Figure 11. The curve that summarises the first decade and a half of commercial offshore wind development is indicative of a successful young market with healthy promise. Nonetheless, it is not reaching the even more ambitious pace of investment and installation that a number of governments and energy agencies set as an objective in the past decade, inspired by the enormous potential described in the first section of this chapter on the fundamentals of the resource. To paraphrase ingenious physicist Niels Bohr: ‘Prediction is very difficult, especially about the future’, a quote that is even more meaningful if possible when applied to an industry that from the outset ventured into such a demanding environment as the sea. Fig. 10. Potencia eólica marina acumulada en el mundo, por países Fig. 10. Cumulative offshore installed capacity by country


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

En cualquier caso, cada predicción ayer fallida es hoy una lección aprendida. Por ello, las previsiones que actualmente maneja la industria son lógicamente más sólidas y realistas, en particular a corto plazo, y llegan soportadas por una significativa experiencia acumulada y un más profundo conocimiento de las exigencias y dificultades a las que se enfrenta la industria, así como de los desarrollos y mejoras que se avecinan. Existen múltiples predicciones, generadas por distintos informes específicos u organismos internacionales. La figura 12 representa la estimación de evolución en la potencia de eólica marina instalada a corto, medio y largo plazo, tanto a nivel europeo como global, que presenta el JRC (Joint Research Council de la Comisión Europea). Las ambiciosas predicciones a medio (2030) y largo plazo (2050) dan una idea del enorme potencial que esta nueva industria y mercado atesoran. También son indicativas de la prometedora oportunidad exportadora que guardan para Europa como first mover. Aunque fundamentadas, conviene en (arriba / above) Fig. 12. Proyección de crecimiento en potencial acumulada de energía eólica offshore, a nivel europeo y global (Fuente: JRC 2014) Fig. 12. Projected cumulative growth in offshore installed capacity in Europe and the world (source: JRC, 2014)

OFFSHORE WIND ENERGY

(GW) 600

Resto del mundo / Rest of the world

500

Europa / Europe

400

308

300 200

88

100 1

8 2014

Anual Annual (MW)

13 2020

222

112

27 2030

2050 Acumulación Cumulative (MW) 12 000 11 000

2 400 2 200 2 000 1 800

10 000

1 600

8 000

1 400

7 000

1 200

6 000

1 000

5 000

800

4 000

600

3 000

400

2 000

200 0

1 000 0

9 000

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

La curva que en dicha figura 11 resume la primera década larga de desarrollo comercial de la eólica marina, muestra un mercado joven de exitoso progreso y saludable proyección. Aun así, no está llegando a alcanzar todavía los incluso más ambiciosos ritmos de inversión e instalación que con gran entusiasmo distintos gobiernos y agencias de la energía se marcaron como objetivo la pasada década, inspirados en el enorme potencial cuyos fundamentos hemos ilustrado en la primera sección. Parafraseando al genial físico Niels Bohr: “La predicción es muy complicada, especialmente cuanto se refiere al futuro”, cita que cobra más sentido si cabe al referirse a un sector en sus albores que se aventuraba en un medio tan exigente como el marino.

Fig. 11. Potencia anual instalada en Europa desde el año 2000, y curva de potencia acumulada (Fuente: EWEA). La potencia indicada para el año 2015 corresponde sólo a su primera mitad, que ha supuesto un apabullante record al ver en sólo 6 meses la puesta en marcha de casi 2 500 MW, que groso modo equivalen a 2 grandes centrales nucleares. Fig. 11. Capacity installed yearly in Europe since 2000 and cumulative capacity curve (source: EWEA); (2015: capacity for the first two quarters only, an astounding record, with the commissioning in only 6 months of nearly 2 500 MW, roughly equivalent to the capacity of two large nuclear power plants) 313


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

cualquier caso recibir estas predicciones con un prudente nivel de escepticismo. El nivel de fiabilidad es en cambio mucho más alto en las proyecciones a corto plazo para el ya cercano 2020, como es lógico. Existe en la industria un cierto consenso en las predicciones de potencia instalada que cabe esperar en el próximo quinquenio, en particular para Europa, que en cualquier caso no carecen de un inevitable nivel de dispersión. EWEA en su escenario central (23 GW) es un poco menos optimista que JRC (27 GW), mientras que el NREAPS (38 GW) posiblemente lo sea en exceso. Un reciente informe de EY (antes Ernst&Young) estima una potencia instalada en Europa para 2020 de 28 GW, lo que supondría 20 GW de nueva capacidad en 5 años, de los que 7 GW se ubicarían en UK, 6 GW en Alemania, y los 7 GW restantes repartidos entre Francia, Dinamarca, Holanda y en menor medida Bélgica. En el resto del mundo se espera que sea China quien genere la mayor parte del mercado fuera de Europa hasta 2020, con una contribución menor de Japón, Korea o Taiwan. La industria mira con atención el despertar del gran mercado estadounidense, parece que todavía tímido a corto plazo. A medio plazo, países como Brasil y sobre todo India entrarán probablemente en escena, y cabe en particular destacar a Japón, con planes menos rápidos pero ambiciosos que prevén 10 GW de eólica marina en 2030 y aproximadamente 40 GW en 2050 (source: Japanese Wind Power Association 2014). Si nos atrevemos a resumir el futuro, cabe esperar que como orden de magnitud el ritmo de instalación en la próxima década crezca gradualmente desde el entorno de los 2-3 GW/ año hasta posiblemente 7-9 GW/año, lo que en los próximos 10 años podría significar un promedio no lejano a los 700 aerogeneradores marinos instalados anualmente en el mundo.

314

In any event, yesterday’s mistaken predictions are today’s lessons learnt. Therefore the industry’s current forecasts are logically sounder and more realistic, particularly in the short term, and based on substantial experience as well as a deeper knowledge of the demands and difficulties it faces and the developments and improvements underway. Many a prediction has been put forward in specific reports by the private sector or international bodies. Figure 12 shows the growth in offshore installed capacity in the short, medium and long term for Europe and the world at large, estimated by the European Commission’s Joint Research Council (JRC). Such ambitious medium- (2030) and long- (2050) term predictions are an indication of this new industry’s and its market’s enormous potential. They also shed light on Europe’s ‘first mover’ opportunity. While well-grounded, however, these predictions should be viewed with a bit of cautious scepticism. The degree of reliability is logically much higher for the short-term predictions, to 2020. A certain consensus has been reached in the industry about the capacity that will be installed in the next 5 years, especially in Europe, which are nevertheless subject to inevitable scatter. In its medium variant (23 GW), the EWEA is somewhat less optimistic than the JRC (27 GW), whereas the UK’s National Renewable Energy Action Plans (NREAPS) (38 GW) may be overly so. A recent EY (formerly Ernst & Young) report estimated that installed capacity in Europe would be 28 GW in 2020, which would entail installing 20 GW of new capacity in 5 years: 7 GW in the UK, 6 GW in Germany and the remaining 7 GW in France, Denmark, Netherlands and, to a lesser extent, Belgium. In the rest of the world, China is expected to account for most non-European generation until 2020, with smaller contributions from Japan, South Korea and Taiwan. The industry is nonetheless looking expectantly forward to an awakening in the huge US market, where development is still hesitant, at least in the short term. In the medium term, countries such as Brazil and especially India will very likely commission facilities. Japan has


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

2.2 El coste de la energía eólica marina La Figura 13 muestra el rango de coste ponderado de diferentes tecnologías de energía renovable, en relación con el de las tecnologías convencionales de generación derivadas de la combustión de hidrocarburos, tanto en 2010 como en 2014 (Fuente: IRENA). La hidráulica y la eólica terrestre lideran a las energías renovables, tanto por volumen como por economía. Economía que hasta la fecha ha alcanzado sus máximos niveles de eficiencia en Brasil, donde se están desarrollando numerosos parques rentables con tarifas en el entorno de sólo 40 €/MWh. La energía solar es hoy sensiblemente más costosa, pero resulta sobresaliente el modo en que tanto CSP como en particular Fotovoltaica vienen reduciendo sus costes fuertemente en los últimos años. La energía eólica offshore queda como ya hemos descrito todavía alejada en coste de la referencia marcada por la eólica onshore. Tanto o más reseñable que su valor resulta su evolución en el tiempo, que en la anterior figura se asemeja más a la un sector maduro que al de un sector en sus fases iniciales de desarrollo, del que se espera una más acentuada reducción de costes. En efecto, la evolución temporal de coste de la energía eólica offshore ha sido en su primera etapa comercial cuanto menos anómala, caracterizándose en sus primeros años por importantes incrementos en lugar de por las reducciones esperadas, aunque hoy ya se aprecia con claridad el imprescindible cambio de tendencia (ver fig. 14). Parte del incremento de coste que la figura 14 muestra derivó simplemente del hecho de que los parques comerciales fueron tendiendo a situarse en aguas cada más profundas y alejadas mar adentro. Pero son también otros varios los aspectos que en gran medida han estado detrás del encarecimiento de los parques offshore al que asistimos la pasada década. La dificultad, duración y coste de las tramitaciones administrativas y medioambientales, por ejemplo, han superado con frecuencia las previsiones, fruto de la propia novedad de los parques offshore, y de las interferencias o descoordinaciones

OFFSHORE WIND ENERGY

longer-term but ambitious plans calling for 10 GW of offshore wind capacity in 2030 and 40 GW in 2050 (source: Japanese Wind Power Association, 2014). Venturing a summary about the future, the pace of installation in the next 10 years may be expected to rise gradually from the present 2-3 GW/year to up to 7-9 GW/year, which is tantamount to an average of nearly 700 new offshore wind turbines per year worldwide.

2.2 The cost of offshore wind energy Figure 13 compares the levelised cost of various renewable energies to the cost of conventional hydrocarbon-fired generation technologies in 2010 and 2014 (source: International Renewable Energy Agency, IRENA). Hydro and onshore wind lead the renewables industry both in output and cost-effectiveness. In Brazil, cost efficiency has culminated in a number of wind farms under development that will be profitable at tariffs as low as €40/MWh. Although solar energy is perceptibly more expensive, the costs of both concentrated solar (CSP) and solar photovoltaic power have tumbled in recent years. Offshore wind energy, as noted earlier, is still a long way from equalling the onshore benchmark. More notable than the absolute numbers, however, is its pattern over time, which judging from Figure 14 is more characteristic of a mature than a young industry, where costs would be expected to decline more sharply. In fact, offshore wind energy costs behaved at least anomalously in the first commercial stage, with significant rises rather than the expected downturns. Today, however, a necessary change of trend is clearly visible. Part of the cost rises mirrored in Figure 14 are attributable to the tendency to site wind farms farther offshore and consequently in ever deeper waters. Several other factors have nonetheless helped raise offshore wind farm costs in the last decade. The difficulty, duration and cost of administrative and environmental proceedings, for instance, have often been greater than initially foreseen, due to government departments’ 315


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

(arriba) Fig. 13. Coste ponderado de Energía de distintas fuentes renovables, en 2010 y 2014 (Fuente: IRENA)

(above) Fig. 13. Levelised cost of electricity from renewable sources in 2010 and 2014 (source: IRENA)

(derecha) Fig. 14. Evolución del coste CAPEX (Capital Expenditure) de distintos parques offshore europeos a lo largo del tiempo, con una clara tendencia alcista que en los últimos años empieza a corregirse (Fuente: DNVGL & FOWIND)

(right) Fig. 14. Capital expenditure (CAPEX) in European offshore wind farms over time, attesting to abatement of its early upward trend (source: DNVGL & FOWIND)

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XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

OFFSHORE WIND ENERGY

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CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

entre distintos departamentos de la administración cuyas competencias al respecto no siempre han estado claramente definidas y repartidas. Estos son sin embargo aspectos que se han ido superando y mejorando ya, en particular en los mercados más maduros. El sector también ha vivido casos de importantes deficiencias de funcionamiento o de durabilidad de equipos o subestructuras, lo que unido a los grandes costes y dificultades de actuación y mantenimiento en el mar ha supuesto en ocasiones sensibles bajadas de producción, y significativos incrementos de los costes OPEX (Operational Expenditure), todo ello repercutiendo en subidas del LCOE (Levelised Cost of Energy) resultante. Hoy, sin embargo, la industria ha aprendido sus lecciones y va ganando consciencia de la mejora en eficiencia económica que supone invertir en robustez tanto del aerogenerador como de la subestructura. Las estrategias, medios y costes de accesibilidad y mantenimiento en el mar vienen también mejorando notablemente en sus intervalos, eficacia y coste, y es de esperar que lo sigan haciendo. Pero posiblemente el factor que más ha influido en la escalada de coste de la eólica marina durante la pasada década fuese la simple y llana infravaloración inicial de lo que realmente costaba construir un parque eólico en el mar, en particular, por parte de los primeros contratistas marinos encargados de la construcción de las cimentaciones e instalación de los distintos componentes en alta mar. En busca de una posición de ventaja en la parrilla de salida de un sector de tan prometedor futuro, muchos de ellos firmaron en los primeros años contratos a coste excesivamente bajo, sobrevalorando la aplicabilidad de su experiencia previa en oil & gas e infravalorando las dificultades específicas de los parques eólicos, con el gran número de unidades y operaciones offshore que involucran. Tristemente no tardaron en aprender que los márgenes económicos que se manejan en el sector de las renovables poco tienen que ver con los del mundo de los hidrocarburos, y hubo que lamentar algunas quiebras sonadas. 318

unfamiliarity with a wholly new type of facility, offshore farms, and their mutual interference or lack of coordination in a context in which their respective competencies have not been always clearly delimited. These obstacles have now been largely overcome, however, particularly in the most mature markets. The industry has also been afflicted by substantial operational shortcomings for want of durability in equipment or substructures. That, added to the enormous cost and difficulties of working with and maintaining offshore facilities, have on occasion induced significant declines in output, along with considerable rises in operational expenditures (OPEX). The outcome has been increases in the levelised cost of energy (LCOE). Today, however, the industry has learnt its lessons and is fast becoming aware of the improvements in economic efficiency to be gained by investing in robust wind turbines and substructures. The timeframes, effectiveness and cost of offshore strategies, accessibility and maintenance have also improved greatly and can be expected to continue to do so. The factor that may have accounted for most of the rise in offshore wind costs in the last decade, however, was that farm construction costs were purely and simply underestimated, especially by the first offshore contractors commissioned to build foundations and install other components on the high seas. In pursuit of a competitive slot in the starting grid for an industry with such a promising future, in the early years many contractors concluded agreements at precariously low costs, overestimating the applicability of their prior experience in oil and gas and underestimating the specific difficulties inherent in wind farms, with the many offshore units and operations they involve. They quickly and sadly learned that cost margins in renewables were a far cry from what they were accustomed to (derecha / opposite) Fig. 15. Vista de las fases y medios típicamente involucrados en la construcción de un parque eólico marino (Fuente: The Crown State) Fig. 15. Phases and resources typically involved in building an offshore wind farm (source: The Crown State)


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

Un papel ciertamente protagonista en los importantes sobrecostes de construcción que varios de estos contratistas sufrieron lo jugaron los escasos y muy costosos medios marinos de heavylift, de los que la instalación de cimentaciones y aerogeneradores viene dependiendo por completo (ver figura 15). Papel que no ha sido tanto de originador de problemas, como sobre todo de multiplicador de sus consecuencias económicas. Necesariamente reservados con gran antelación, el enorme e implacable coste diario de dichos medios, de varios cientos de miles de euros, no sabe de flexibilidad y ha penalizado tremendamente cualquier retraso o replanificación en los proyectos, y más aún la posible pérdida de las ventanas de buen tiempo necesarias para los trabajos de instalación.

OFFSHORE WIND ENERGY

in the world of hydrocarbons, a hard-won lesson that resulted in a number of notorious bankruptcies. The substantial cost overruns supported by these contractors were largely attributable to the scant and very costly offshore heavy lift equipment on which wind turbine installation and foundation construction depends (see Figure 15). They haven’t been so much source of problems, as they have been multipliers of the financial consequences of any problem arising elsewhere. Necessarily reserved long in advance, such equipment has an enormous and unrepentant daily cost (several hundred thousand euros) devoid of any flexibility that penalises project delays or re-planning very heavily, with the possible forfeiture of the fair weather windows needed for installation operations.

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CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Los problemas vividos en algunos de los primeros parques tendieron además a subir el perfil de riesgo asociado a los proyectos de la eólica marina, y con ello también los costes de los seguros y de la financiación. Todo ello fue empujando un progresivo incremento en el coste, en particular en lo referido a los trabajos de construcción, que se fueron restringiendo a los más grandes contratistas marinos tanto por capacidad operativa como financiera. Eso a su vez fue reduciendo la competencia, lo que posiblemente también contribuyó a elevar los precios. Afortunadamente, esa tendencia se está ya hoy revirtiendo, y tras unos años de relativa estabilidad en los costes está justificado pensar que, tal y como se aprecia en la Figura 14, el sector se encuentra actualmente en un punto de inflexión, tanto porque debe como porque puede. Las experiencias positivas y más aún las negativas van proporcionando lecciones que la industria no está desaprovechando. La cadena de suministro ha ido especializándose y generando capacidades específicas, tanto en fabricación como en medios u operaciones de instalación adhoc; los costes y riesgos de la construcción son cada vez mejor conocidos y controlados, los organismos reguladores y procesos de tramitación van ganando en claridad y velocidad, al tiempo que la gestión y coordinación de los proyectos lo hace en orden y eficiencia. Todo ello ha asentado las bases de un rápido crecimiento del mercado (ver figura 11), que está facilitando una mayor capacidad industrial e incentivando un imprescindible desarrollo tecnológico. Ambos son y serán la esencia del camino de reducción de costes. Son múltiples los informes que identifican y en gran medida coinciden en los distintos pasos a dar en dicho camino, anticipando una significativa capacidad de ahorro. EY, por ejemplo, cifra en 90 €/MWh el coste ponderado alcanzable para 2030, por debajo de los umbrales de competitividad que suelen situarse estimativamente en el entorno de los 100 €/MWh. Distintos desarrollos tecnológicos habrán de contribuir decisivamente a dicha reducción, lo que trataremos al menos en parte en la sección 3, a continuación. Sin embargo, para evaluar 320

The problems experienced in some of the early farms tended, moreover, to raise the perceived risk of offshore wind projects, and with it insurance and financing costs. All of the foregoing drove costs, particularly construction costs, steadily upward. One of the outcomes was that projects were awarded exclusively to offshore majors, the only contractors with sufficient operating and financial wherewithal. That in turn reduced competition, which may have also helped raise prices. That trend is fortunately reversing today and after a few years of relative cost stability the industry may be believed to have reached a turning point, as Figure 14 shows: because it should and because it can. The positive but especially the adverse experience acquired is a source of lessons on which the industry has not failed to capitalise. The supply chain is becoming specialised with the advent of specific fabrication and manufacturing capacities and ad hoc installation resources; construction costs and risks are now better understood and controlled, regulator intervention and administrative processing have become clearer and more streamlined, and project management and coordination more orderly and efficient. Experience has, then, cleared the ground for rapid market growth (see Figure 11), which is in turn raising industrial capacity and fuelling much-needed technological development. These two factors are and will continue to map the road to lower costs. The steps that must be taken have been identified in largely concurring reports that herald the industry’s significant potential for savings. Ernst & Young, for instance, estimate that the levelised cost in 2030 will stand at €90/MWh, which is below the competitive threshold normally agreed to be around €100/MWh. Certain technological developments, at least partially addressed in section 3 below, will be instrumental in that downward trend. Nonetheless, the impact of a given development can only be suitably assessed from a clear understanding of how the capital needed to build an offshore farm is generally structured today,


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

adecuadamente la importancia relativa de uno u otro desarrollo, es imprescindible antes entender la estructura general con la que se distribuye hoy el capital necesario para la construcción de un parque offshore, identificando el peso relativo de las grandes partidas que gobiernan su coste. Así, la figura 16 muestra una típica distribución de costes en un parque offshore a 40 m de profundidad, por un lado, y en un parque onshore, por otro. Se hace evidente el cambio cualitativo en el peso relativo del aerogenerador que se produce en el mar. El BOP (Balance of Plant: toda la infraestructura de un parque que no es aerogenerador) pasa de actor secundario en tierra a destacado protagonista en el mar. Protagonismo que crece en los parques a profundidades medias o altas, que supondrán una parte mayoritaria del mercado futuro. Si consideramos la torre como parte de la subestructura y del BOP, éste puede pasar de suponer apenas un tercio de la inversión en tierra, a concentrar dos tercios en mar. Ello pone el foco del desarrollo tecnológico en esa tan importante fracción del pastel y en su capacidad para contribuir a una mayor eficiencia de costes.

OFFSHORE WIND ENERGY

identifying the relative weight of the major items that govern its cost. Figure 16 compares the typical breakdown of construction costs for an offshore wind farm at a depth of 40-m to the breakdown for a comparable onshore facility. Note the qualitative leap in the relative weight of wind turbines when built offshore. The balance of plant (BOP: all the nonturbine farm infrastructure), a mere supporting actor onshore, becomes the offshore cost leader. That prominence grows in farms sited at medium to deep depths, which will account for most of the future market. The BOP, including the tower as part of the substructure, doubles its share of the pie, from one-third onshore to two-thirds off, placing the technological focus on that substantial fraction and its potential for raising cost efficiency. Fig. 16. Típica distribución de los costes de capital (CAPEX) en un parque offshore (profundidad 40 m) y en un parque onshore – Typical CAPEX cost breakdown in an offshore (40 m water depth) and onshore wind farm. Fig. 16. CAPEX breakdown for windfarms: offshore in waters 40 m deep (left); onshore (right)

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CON EL VIENTO A FAVOR

3. Los Desafíos

y la

WITH A FAIR WIND

Tecnología

para

S uperarlos

La industria de la energía eólica marina y las tecnologías que la soportan se enfrentan a múltiples retos, pero podría decirse que todos forman parte de un gran desafío que los engloba y ante el que todos los agentes de la industria estamos, nunca mejor dicho, en el mismo barco: reducir en aproximadamente un 40% y en menos de una década los actuales costes de producción de energía. Dicho objetivo, que en rápido progreso debe llevar los costes la energía extraída del viento marino hacia los 100 €/MWh, supone un reto tan ineludible como ambicioso, en particular teniendo en cuenta que debemos alcanzarlo al tiempo que tendemos a situar nuestros parques en aguas más profundas y alejadas de las costa (ver figura 17). Existen sin embargo múltiples consideraciones que ayudan a hacer dicho objetivo creíble y es de esperar que impulsen a la industria en su cumplimiento. Casi todas ellas se basan de un modo u otro en un pilar fundamental: el desarrollo tecnológico. Dicho pilar necesita a su vez un cimiento sobre el que apoyar: un mercado suficiente. Puede en ese sentido resultar ilustrativo comparar los tiempos de desarrollo de otras tecnologías ya plenamente maduras de nuestro día a día. En el verano del próximo año 2016 se cumplirán 25 años desde que los primeros kwh de energía eólica offshore se vertieron a la red desde el pionero parque de Vindeby en Dinamarca, que con 11 máquinas de 450 kW se adelantó a su tiempo y sigue hoy operativo. Un cuarto de siglo puede parecer un periodo largo y sin duda ha permitido acumular una valiosa experiencia, pero puede convenir relativizarla comparándola con la situación de otras industrias familiares 25 años después de su nacimiento (ver figura 18). La eólica marina puede y debe en definitiva considerarse una tecnología muy joven, a la que cabe augurarle todavía un significativo margen de desarrollo y mejora. Es posible, empleando un símil humano, que para que la eólica marina acabe de superar 322

3. T he C hallenges C onfront them

ahead and the

T echnologies

to

The offshore wind industry and the technologies underpinning it face a host of constraints, all of which can be said to form part of the same overarching challenge confronting all the industry’s agents: the need to reduce today’s power generation costs by approximately 40 % in less than 10 years’ time. That need or aim, which would call for progress rapid enough to reduce the cost of electricity generated with offshore wind energy to €100/MWh, is a target as unavoidable as it is ambitious, particularly since it must be reached at the same time as wind farms are sited in deeper waters farther offshore (see Figure 17). That objective is rendered credible, however, by a number of considerations that may well constitute the driving force the industry needs to meet it. Nearly all those considerations are supported in one way or another by the same mainstay, technological development, which in turn needs foundations on which to rest: an adequate marketplace. A review of the time it has taken other, now fully mature technologies to develop may be an enlightening exercise. The summer of 2016 will mark the 25th anniversary of the evacuation of the first kWh of offshore wind-produced electric power to the grid from Denmark’s pioneering Vindeby farm, which with eleven 450-kW machines pointed the way to the future. A quarter of a century may seem like a long time (arriba / above) Fig. 17. Los parques marinos europeos tenderán gradualmente a situarse en aguas más profundas y alejadas de la costa (Fuente: EWEA) Fig. 17. Gradual tendency to site European wind farms in deeper waters farther from the coast (source: EWEA) (abajo / below) Fig. 18. En julio de 2016 la energía eólica offshore cumplirá 25 años. Imágenes del teléfono, el automóvil, el avión o la televisión 25 años después de su nacimiento Fig. 18. July 2016: 25th anniversary of offshore wind energy. The telephone, automobile, aeroplane and television in their 25th year


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

OFFSHORE WIND ENERGY

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CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

la adolescencia y alcance su edad adulta, antes deba, por así decirlo, independizarse de sus progenitores, sin renunciar por ello a la experiencia y consejo que puedan seguir brindándole. Si en dicho símil la eólica marina tuviese una madre y un padre, estos sin duda serían la eólica terrestre por un lado, y la industria offshore del oil&gas por otro. De ambos ha bebido para bien en su desarrollo, pero guarda también muy importantes diferencias con cada uno de ellos, y poco a poco deberá hacerlas valer para superar inercias e irse diferenciando en sus propios desarrollos tecnológicos, encontrando su propio camino y alcanzando así la madurez y con ella su mejor eficiencia de costes. ¿Deben las palas, turbinas y torres de los aerogeneradores de la eólica marina ser tan similares a los de su madre la eólica terrestre? Las limitaciones y requerimientos en cuanto al tamaño transportable de sus componentes, su accesibilidad o su impacto visual, por poner algunos ejemplos, son muy diferentes. Durante años se ha oído hablar de la simple “marinización” de los aerogeneradores terrestres para su aplicación offshore, pero hoy ya está extendida la consciencia de que la industria de la eólica marina debe ir más allá. Hasta muy recientemente, de hecho, la potencia y tamaño de los aerogeneradores offshore superaba sólo con timidez a la de sus mayores homólogos terrestres, y sólo en los últimos años empieza a apreciarse el salto que separa ya claramente a los primeros de los segundos. Buena muestra de ello son TPAs (Turbine Purchase Agreements) firmados en 2014, en los que el tamaño medio de aerogenerador fue ya de 5.6 MW para offshore, doblando ya el promedio de 2.8 MW para onshore (Fuente: JRC). Quizás el futuro depare más diferenciaciones cualitativas; es sabido por ejemplo que los más económicos y fácilmente instalables rotores de dos palas se han evitado en la eólica onshore fundamentalmente por su menos favorable percepción visual y ligeramente superior nivel de ruido, no siendo desde luego evidente que el mismo criterio deba perdurar para siempre en los apartados e invisibles parques offshore, en los que primará 324

and it has certainly sufficed to acquire valuable experience, but it should be placed in perspective by a comparison with the state-of-the-art of other familiar industries in their 25th year (see Figure 18). Offshore wind energy can and should be regarded as a very young technology with considerable potential for development and improvement. To use a human metaphor, to be able to grow out of adolescence and into adulthood, offshore wind must cut its parental apron strings without, however, forfeiting the experience and advice its forebears can provide. If offshore wind indeed had a mother and father, they would certainly be onshore wind on the one hand and offshore oil and gas on the other. Whilst it has learned from both in its development, it is hardly identical to either and should capitalise on its differences to overcome inertia and undertake its own technological development, making its own way toward maturity and greater cost efficiency. Must the blades, turbines and towers in offshore wind machines be a replica of their onshore ‘mother’s’? Factors such as accessibility, visual impact or the constraints and require-ments affecting the shippable size of their components, to name a few, are very different. Although for years the focus was on the marinisation of onshore wind turbines for their use in offshore environments, today industry actors are aware of the need to rethink that approach. Until very recently, the capacity and size of offshore wind turbines were only slightly greater than those of their onshore ‘mother’: the qualitative leap that separates the two is a very recent event. Suffice it to say that in the turbine purchase agreements (TPAs) concluded in 2014, the mean capacity of offshore wind turbines is 5.6 MW, double the 2.8 MW mean recorded for onshore facilities (source: JRC). The future may bring more qualitative differences. Less expensive and more readily installed two-blade rotors have been eschewed onshore essentially due to their less favourable aesthetic and slightly higher noise level. Those criteria need not persist eternally in remote and ‘invisible’ offshore farms, however, where


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

el coste y sencillez de instalación. Otro ejemplo podría venir de los aerogeneradores down-wind, que generan economía en la nacelle en comparación con los habituales up-wind y sobre todo pueden facilitar el uso económico de las palas más largas y flexibles a las que indefectiblemente se dirige el offshore. Quizás también las torres evolucionen desde su actual tipología emergida casi idéntica a la terrestre, y pasen a concebirse como un más robusto componente de la subestructura –y no del aerogenerador– que no tema mojarse los pies. Es igualmente posible que la vida útil de los parques en el mar tienda a superar significativamente los reducidos 20 o 25 años de los efímeros parques terrestres, amortizándolos durante más tiempo para una mejor economía como sucede con otras grandes instalaciones de producción energética con las que compiten, como puedan ser una central nuclear, un ciclo combinado o no digamos ya una presa. No debería extrañarnos, en definitiva, que los más eficientes y económicos aerogeneradores marinos que se instalen dentro de 10 años hayan ido gradualmente superando inercias y se diferencien de sus primos terrestres notablemente más de lo que se diferencian hoy, adaptándose a sus específicas circunstancias en busca de una mayor eficiencia económica. En similar línea, ¿deben los criterios y requerimientos en cuanto a diseño, operaciones y medios offshore de la eólica marina heredarse como suele hoy suceder de los de su padre, el sector del oil&gas? Es desde luego sabio aprender de la valiosa experiencia acumulada por sectores que nos preceden, pero las circunstancias y criterios que aplican al oil&gas pueden en no pocas ocasiones no aplicar o incluso ser inadecuados para la eólica. Entre los ejemplos que diferencian drásticamente ambos mercados cabría señalar los siguientes: –– El riesgo asociado al fallo o colapso de un aerogenerador marino se restringe prácticamente sólo a una inversión moderada por unidad, mientras que en el oil&gas el riesgo de colapso no sólo tiene unas repercusiones económicas por unidad mucho mayores, sino que añade un muy

OFFSHORE WIND ENERGY

cost and ease of installation will take precedence over other considerations. Another example lies in downwind turbines, which generate some economies as compared to the standard upwind machines and in particular may favour the cost-efficient use of longer, flexible blades toward which the offshore industry is unfailingly heading. Towers may also develop from the present above-water typology, nearly identical to the onshore kind, to an approach in which they are conceived not as part of the wind turbine but rather as a robust component of the substructure, unafraid of getting its feet wet. The service life of offshore wind farms may also prove to be significantly longer than their ephemeral 20-25 year onshore counterparts. That would enhance their economics by spreading their depreciation over longer periods, more comparable to those estimated for the large-scale energy generation facilities with which they compete, such as nuclear and combined cycle plants, not to mention dams. We should not be surprised, in short, if the most cost-efficient offshore wind turbines installed 10 years from now gradually overcome today’s inertia and are built to a design that differs from onshore machines much more widely than today, a design better adapted to their specific circumstances in pursuit of greater economic efficiency. In a similar vein, should offshore wind inherit the design, operation and resource criteria and requirements in place for its ‘father’ industry, oil and gas, as is commonly the case today? Learning from the experience accumulated by industries that have preceded ours is more than wise, of course, but the circumstances and criteria applied to oil and gas may often be inapplicable to or even unsuitable for wind. The conditions that drastically distinguish the two markets include the following. –– The risk associated with offshore wind turbine failure or collapse is practically confined to the moderate investment per unit. In oil and gas, in contrast, the risk of collapse may not only have a much higher economic cost per unit, but include the very severe risks of the loss of human life and environmental damage, issues that are virtually non325


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

grave riesgo de pérdida de vidas humanas y de daños medioambientales que en el caso de la eólica son prácticamente inexistentes. Los niveles de riesgo son de diferente magnitud y en buena lógica los márgenes de seguridad exigibles a uno y otro no debieran ser los mismos. –– El peso de una plataforma de oil&gas es por lo general un orden de magnitud superior al de un aerogenerador marino, mientras que su valor medio es aproximadamente dos órdenes de magnitud superior, lo que ilustra la gran diferencia en los baremos de coste y recursos para la construcción e instalación que aplican en uno u otro caso. –– La instalación de una gran plataforma de oil&gas es una operación puntual, que por ello depende puntualmente de los muy escasos y tremendamente costosos grandes medios marinos. La instalación de un parque eólico es en cambio una operación que se prolonga muchos meses, y como tal depende de forma continuada de los grandes medios marinos que pueda requerir, y puede verse más penalizada por su coste y baja disponibilidad –– El sector del oil&gas está dominado por construcciones singulares, mientras que el sector eólico se caracteriza por la repetitividad y consiguiente capacidad de industrialización, siempre mayor en la medida en que se logre maximizar la cantidad de trabajo a realizar onshore. Estas circunstancias, entre otras varias que podrían citarse, han ido poco a poco derivando –y es de esperar que lo hagan más en el futuro– en operaciones, criterios, normas y medios marinos específicos para la eólica marina, en sustitución de los que con frecuencia se habían heredado más o menos directamente del oil&gas. Ello puede ir desde barcos de instalación aptos para llevar un mayor número de unidades por trayecto o trabajar en peores condiciones de mar, pasando por embarcaciones adhoc para el acceso a los aerogeneradores, hasta soluciones o procesos de autoinstalación de subestructura y/o aerogenerador que permitan prescindir en mayor medida de los caros y escasos medios marinos de heavylift. 326

existent in wind. As the levels of risk are of wholly different magnitudes, the margins of safety required should logically differ as well. –– Oil and gas platforms generally weigh an order of magnitude more than offshore wind turbines, but their mean value is approximately two orders of magnitude greater. These facts illustrate the enormous difference in the cost schedules and construction and installation resources applied to each. –– Installing a large oil and gas platform is a one-off operation, which depends only shortly on large, scant and tremendously expensive offshore equipment. In contrast, as installing a wind farm takes several months, the operation depends for longer periods on the large-scale offshore rigs needed and is more heavily penalised by their cost and narrow window of availability. –– The oil and gas industry builds unique structures, whereas the wind industry is characterised by repetitive, potentially industrialised components, and the higher the proportion of work that can be performed onshore, the greater is that potential. These among other circumstances have gradually led (and may be expected to continue to lead in the future) to operations, criteria, standards and resources specific to offshore wind, replacing those inherited more or less directly from oil and gas. The changes may include jack-up vessels able to ferry a larger number of units per run or to work in more adverse conditions, ad hoc craft to access wind turbines or self-installing substructures or wind turbines designed to dispense with expensive and scant offshore heavy lift equipment. The technological developments that will translate into the cost reduction pursued will in any event call for ambitious innovation and evolution in each and every one of the main areas that comprise the major cost items for generating power: the wind turbine, its substructure, the processes and resources involved in the installation of both, the electricity evacuation system and substation, and operation and maintenance. A


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

El desarrollo tecnológico que permita una reducción de coste como la perseguida, requerirá en todo caso una ambiciosa innovación y evolución en todas y cada una de las principales áreas que conforman las grandes partidas del coste de la energía generada: el aerogenerador, la subestructura, los procesos y medios de instalación de ambos, la red de evacuación y la subestación, y los costes OPEX para la operación y el mantenimiento. Entrar en el detalle de todas ellas y sus desarrollos tecnológicos excede sin embargo el alcance de este escrito, que se centrará a continuación en las dos principales: el aerogenerador por un lado, y la subestructura y procesos de instalación marina por otro.

3.1 Aerogeneradores offshore

OFFSHORE WIND ENERGY

detailed account of each and the respective technological developments exceeds the scope of this chapter, however, which focuses on the two main items identified: the wind turbine, and the sub-structure and its offshore installation.

3.1 Offshore wind turbines The technology underlying modern wind turbines has been addressed in preceding chapters by experts whose knowledge of the subject is far greater than this author’s. Moreover, as a rule the fundamentals and main components of an offshore wind turbine do not differ in essence from those of onshore turbines, at least at this writing (Fig. 19). The idea here, then, is not to describe offshore wind turbine technology, but simply

La tecnología que soporta a los aerogeneradores modernos ya ha sido tratada en capítulos anteriores por expertos cuyo conocimiento en la dicha materia excede en mucho al de quien esto escribe. Además, por lo general los fundamentos y principales componentes de un aerogenerador marino no varían en esencia con respecto a los de un aerogenerador terrestre, al menos hoy (fig. 19). Por ello, no se pretende aquí entrar a describir la tecnología de un aerogenerador marino, sino sólo apuntar, con algunos datos, imágenes o cifras de referencia, ciertos aspectos relevantes que caracterizan su mercado, magnitud o requerimientos constructivos. Probablemente uno de los aspectos en el que más se diferencia el mercado onshore y offshore de aerogeneradores no sea tanto la propia tecnología de base que fundamenta su funcionamiento, como la magnitud de los proyectos y los volúmenes de inversión asociados, lo que entre otros factores limita el acceso a enormes grupos de gran capacidad no sólo industrial sino también financiera. Reflejo de ello es el hecho de que incluso grandes fabricantes de aerogeneradores, líderes en la eólica terrestre, como Gamesa o Vestas, se han visto obligados a forjar sonadas alianzas para competir en un mercado notablemente más exigente y selectivo que el terrestre.

Fig. 19. Principales componentes de una nacelle de un aerogenerador offshore de Siemens 6MW Fig. 19. Main components of the nacelle in a siemens 6 MW offshore turbine (personnel shown to scale) 327


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Tanto es así que los fabricantes de aerogeneradores offshore se cuentan en Occidente con los dedos de una mano, formando un mercado con un muy reducido número de competidores de gran tamaño. Un enorme conglomerado industrial como Siemens lo lidera en cuota de mercado, seguido de Adwen, resultante de la unión para el offshore de Gamesa y Areva, y de MHI, la alianza de Vestas con al gigante japonés Mitsubishi. A ellos se suma la fusión, todavía en proceso de integración, entre otros dos gigantes como Alstom y General Electric (único exponente visible del continente americano) y por último Senvion, excepción que confirma la regla por su más reducido tamaño. A ellos se unen a nivel mundial tan sólo otro reducido puñado de fabricantes asiáticos de Japón, China y Korea. El aerogenerador es lógicamente el componente de un parque eólico que más carga tecnológica acumula, en sus numerosos equipos, avanzada maquinaria y complejos sistemas de control. Paradójicamente, posiblemente sea también el componente cuyo decisivo papel ante el actual desafío de reducción de coste pueda más sencillamente englobarse en una única palabra: crecer. En efecto, la práctica totalidad de informes de referencia en el sector coinciden en señalar el crecimiento de los aerogeneradores como uno de los factores clave en la perseguida reducción de los costes de generación. Por ello, la principal evolución que cabe esperar en los aerogeneradores offshore, al menos a corto plazo, no será tanto en concepto como en tamaño. Crecimiento que ayuda también a explicar que el desarrollo e industrialización de la siguiente generación de enormes aerogeneradores offshore vaya quedando como hemos visto sólo al alcance de los mayores y más capaces grupos industriales (fig. 20). Esa tendencia hacia aerogeneradores offshore de tamaño creciente es seguramente ineludible y de hecho cada vez más clara. El tamaño medio de los aerogeneradores offshore instalados en Europa el pasado año 2014 fue de 3.6 MW, pero los TPAs (Turbine Purchase Agreements) promediaron ya 5.8 MW, y hoy difícilmente existan en Europa parques pendientes de 328

to identify, with a few facts, figures and images, certain notions associated with their market, magnitude or construction. Basic operating technology is not where onshore and offshore wind turbine markets differ most. Rather, the greatest distinction between the two may have more to do with project magnitude and the associated investment volumes which, together with other factors, limit access to the latter to large-scale corporate groups with financial as well as industrial prowess. Proof of that lies in the highly publicised alliances that even onshore wind turbine majors such as Gamesa or Vestas have had to forge to compete on the much more demanding and selective offshore market. Hence the marketplace in the western world is characterised by a very short number of large-scale offshore wind turbine manufacturers. Siemens, a vast industrial conglomerate, is the world leader by market share, followed by Adwen, a joint venture founded by Gamesa and Areva for offshore machines, and MHL, an alliance between Vestas and the Japanese giant Mitsubishi. The market has given rise to yet another merger, still in the integration stage, between two other industrial mammoths, Alstom and General Electric (the sole visible American actor). Senvion, a much smaller firm, is the exception that proves the rule. Worldwide, these five compete with only a handful of Asian manufacturers in Japan, China and South Korea. The wind turbine is logically the farm component with the highest technological content, with its sophisticated equipment and machinery and complex control systems. Paradoxically, it may also be the component whose instrumental role in rising to the present challenge, i.e., lowering cost, can be summarised in a single word: growth. Nearly all the most highly reputed industry reports concur in identifying wind turbine growth as one of the key factors in reducing generation costs. Consequently, the main development to be expected in offshore wind turbines, at least in the short term, will be less a matter of technology than of size. Growth is also part of the reason that the development and


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

Capacidad media de la turbina Average turbine capacity

Global / Global 7

Europa / Europe

6 5 4 3 2 1 0

Totalmente puesto en marcha Fully commissioned

En construcción Under construction

Licencia autorizada Consent authorised

Licencia solicitada Consent application submitted

Fig. 20. Evolución del tamaño de los aerogeneradores offshore en Europa Fig. 20. Average offshore turbine capacity by stage of construction [in Europe]

FID (Final Investment Decision) que consideren aerogeneradores de menos de 6-8 MW. Fabricantes con modelos 5 MW muy jóvenes han visto como en un plazo mucho más breve de lo anticipado dichos modelos parecen haberse quedado pequeños para atender la demanda a medio e incluso corto plazo de un sector en rápida evolución hacia maquinas todavía más grandes (ver figura 21). Evolución que arrastra a las soluciones y tecnologías de los otros grandes capítulos que conforman el coste de la energía eólica marina, y en particular el de las estructuras de soporte y los medios instalación, que trataremos en la siguiente sección. Desde la lejanía con la que solemos observar estas extraordinarias construcciones se puede a menudo perder la escala y con ella la percepción de su impresionante envergadura. Una envergadura que es medida de los retos técnicos y logísticos que la industria ha ido superando, y de la complejidad y exigencia de la invisible –pero perceptible– gran labor de ingeniería que llevan detrás. Quizás el lector pueda hacerse una mejor idea de la magnitud de estas fantásticas estructuras referenciando

OFFSHORE WIND ENERGY

industrialisation of the next generation of enormous offshore wind turbines is, as noted above, within reach only of industrial groups characterised by large scale and deep pockets (Fig. 20). This trend toward increasingly larger offshore wind turbines is as inevitable as it is visible. Although the average capacity of the offshore wind turbines installed in Europe in 2014 was 3.6 MW, the mean capacity in the TPAs concluded that year was 5.8 MW, while scantly any European farms for which the final investment decision (FID) is outstanding today envisage turbines with a capacity of under 6-8 MW. Very young 5-MW models are proving to be undersized much earlier than anticipated to meet medium- and even short-term demand in an industry rapidly moving to ever larger machines (see Figure 21). That migration is driving solutions and technologies in the other major items in offshore wind energy costs, especially support structures and installation resources, discussed in the following section. From the distance at which we usually view these extraordinary structures, we may fail to perceive their impressive scale. And yet that scale is a measure of the technical and logistic challenges to which the industry has successfully risen and the complexity of the invisible but perceptible engineering involved. The reader may form a fuller idea of the magnitude of these fantastic structures if their dimensions are compared to those of a more familiar object, such as the VW Beetle, the car that holds the record for highest Western-made automobile sales: in Figure 21 it is shown to scale on the tip of an 8-MW turbine blade. The energy carried by the wind at the maximum speed at which the turbine continues to operate, usually 25 m/s, can be measured in terms of the mass of air flowing across the area swept by the blades in an 8-MW machine, which would be equivalent to the mass of 700 VW Beetles driving through the rotor per second. To put it another way, if every one of the 40 000 people in a large football stadium were to drive a VW Beetle through the rotor in one minute’s time, the mass of that 329


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

Beetle 4m

A380 79,8 m

Mb

(1980) 11 m - 30 kW

(1991) 35 m - 450 kW

(2014) 164 m - 8 MW

(¿2020?) 200 m - 12 MW

USS Nimitz 333 m

Mt

algunas de sus cifras características a un elemento más cotidiano, como por ejemplo el VW Escarabajo o Beetle, el coche occidental más vendido de la historia, y que en la figura 21 se representa a escala en el extremo de una pala de una turbina de 8 MW. Como medida de la energía que porta el viento puede por ejemplo considerarse que a la máxima velocidad de viento con la que el aerogenerador sigue operando, habitualmente 25 m/s, la masa de aire que atraviesa el área barrida por las palas de una máquina de 8 MW equivaldría a la de 700 VW Beetle pasando cada segundo. Dicho de otro modo, si a lo largo de sólo un minuto los 40 000 espectadores de un importante estadio de 330

crowd and their cars would still be smaller than the mass of air flowing through a rotor in operation in the same time. The design moments borne by the structure at the root of the blades (Mb) or the base of the tower (Mt) (see Figure 21) due to the enormous loads generated by extreme wind and wave swells are another factor to be taken into consideration. In an 8 MW wind turbine sited in waters 40 m deep in the North Sea, the respective values are on the order of Mb=20-25 000 kNm and Mt=750-950 000 kNm. Those numbers may mean little to non-structural engineers, but even such readers will be familiar with the way that a force loading the end of a cantilevered beam, and with it the moment induced, increases with the length of


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

OFFSHORE WIND ENERGY

futbol atravesasen el rotor montados cada uno en un Beetle, su masa seguiría siendo inferior a la del aire que en el mismo tiempo puede fluir a través de un rotor en operación. En lo que a la exigencia estructural se refiere, puede ser ilustrativo considerar por ejemplo los momentos de diseño que la estructura debe poder soportar en la raíz de pala (Mb) o en la base de la torre (Mt) (ver figura 21), y que son fruto de las enormes cargas que vientos y oleajes extremos pueden generar. En un aerogenerador de 8 MW a 40 m de profundidad en el mar del Norte, dichos momentos pueden alcanzar respectivamente valores del orden de Mb=20-25 000 KNm y Mt=750-950 000 KNm. Posiblemente, estas cifras digan poco al lector no estructuralista, pero incluso éste estará familiarizado con el modo en que el esfuerzo que provoca una carga en el extremo de una viga en voladizo aumenta conforme dicha carga se aleja y genera un mayor momento o palanca (ver figura 10.2 en capítulo X.II). Siendo así valorará mejor las anteriores cifras si considera que para que el peso de un VW Escarabajo situado en el extremo de una viga en voladizo generase el mismo momento que puede experimentar la pala en su raíz, esa viga tendría que tener aproximadamente 2.5 km. Para igualar el momento que la torre puede recibir en su base, sería necesario situar el Beetle en el extremo de una viga de casi 100 km de longitud.

Fig. 22. Acceso mediante helicóptero a un aerogenerador de 5MW. La mayoría de proyectos en fase de desarrollo consideran hoy máquinas de 7-8MW (Source: http://www.offshorewind.biz/tag/helicopter/) Fig. 22. Helicopter access to a 5-MW wind turbine, a substantially smaller structure than the 7-8-MW machines presently on the drawing board (source: http://www.offshorewind.biz/tag/helicopter/)

Son sólo algunas de las cifras que pueden transmitir una idea del impresionante modo con el que el tamaño y potencia de los aerogeneradores viene evolucionando y continuará haciéndolo en el futuro, muy particularmente para el mercado offshore. Se comprueba que conforme aumenta el tamaño de la turbina, la producción de energía aumenta más rápido de lo que lo hacen los costes del conjunto de un parque, y eso es en definitiva lo que impulsa ese rápido crecimiento. Un ahorro que se espera no tanto en el coste por MW del propio aerogenerador, sino sobre todo en el coste por MW del resto de grandes partidas que

the cantilever (see Figure 10.2 in chapter X.II). Applying that principle to the above numbers, for the weight of a VW Beetle parked at the very end of a cantilevered beam to generate the same moment as present at the root of the blade, the beam would have to be approximately 2.5 km long. To equal the moment borne by the base of the tower, the Beetle would have to be parked at the end of a beam nearly 100 km long. These are but a few of the facts and figures that illustrate wind turbine size and power and the present and future evolution of both, particularly on the offshore market. As turbine size increases, output rises at a higher rate than overall wind farm costs and that, in a nutshell, is what drives such rapid growth. The savings are sought less in the cost of the turbine per MW than in the cost per MW of the other major items that account

(izquierda) Fig. 21. Pasado, presente y posible futuro de los aerogeneradores marinos

(opposite) Fig. 21. Past, present and foreseeable future of offshore wind turbines 331


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

conforman más del 70% del presupuesto de un parque marino, y en particular la subestructura, la instalación y el mantenimiento. Ayer se esperaba que el estándar se situase en torno a los 5 MW; hoy ese estándar se sitúa ya para los proyectos en planificación alrededor de los 8 MW. Lo que nos deparará el mañana está por ver, pero la tendencia se hace evidente. El hecho de que fabricantes de referencia como Siemens ya estén hablando públicamente de sus desarrollos para los 10 MW nos da otra pista sólida. Como también nos la da el programa H2020, que refleja y marca tendencias para la investigación y el desarrollo en Europa, y que en el año 2015 ya incluye y dota ampliamente un programa específico para la construcción de prototipos de la nueva generación de máquinas de doble dígito “1X” MW, que a nivel de concepción y diseño llevan ya tiempo cogiendo forma. El mar, que en su inabarcable amplitud no sabe de gálibos ni balanzas, proporciona como hemos visto el escenario adecuado para propiciar ese crecimiento en busca de mayores eficiencias. Al fin y al cabo, por mucho que los aerogeneradores crezcan, siempre seguirán siendo muy pequeños frente a otras estructuras que el mar acoge habitualmente desde los sectores del oil&gas, civil o naval (ver figura 23). Sin embargo, se lleva a engaño quien a la vista de lo anterior pueda razonablemente pensar que en general el tamaño en el mar no importa, pues eso dependerá decisivamente del modo en que distintas soluciones se conciban, y en particular de su nivel de dependencia de ciertos medios de instalación y de los límites de capacidad que éstos le impongan. El crecimiento actual y futuro en los aerogeneradores, pone en definitiva el foco en un aspecto esencial para las soluciones y tecnologías que deban soportar a la industria en un futuro que ya está aquí: la escalabilidad. Fig. 23. La logística y capacidad de transporte de grandes componentes difieren en mar y en tierra. Algunos ejemplos desde los sectores civil, oil&gas o naval Fig. 23. Examples of offshore civil, oil and gas and naval industry facilities, with logistics and transport capacities vastly different from their onshore equivalents 332


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

Esa escalabilidad de las soluciones, que es medida de su facilidad y capacidad de adaptación a un mercado que tiende hacia aerogeneradores mayores y aguas más profundas, impone importantes retos. Retos que en particular afectan a las estructuras de soporte y a los medios de instalación que trataremos específicamente a continuación.

3.2 Estructuras de soporte y procesos de instalación para parques offshore Hemos visto en la sección 2.1 (fig. 11) la creciente demanda que se espera en el suministro de parques offshore y la consiguiente necesidad de subestructuras y procesos de instalación que se presten a niveles crecientes de industrialización y producción. Hemos visto en la sección 2.2 (fig. 16) el papel protagonista que ambos juegan en el desglose de costes de un parque offshore, y por ende el papel decisivo que la mejora en su economía debe jugar en la perseguida reducción global de costes. Hemos visto en la sección 3 (fig. 17) la tendencia del mercado futuro hacia aguas más profundas y alejadas de la costa, lo que afecta poco al aerogenerador, pero mucho a la subestructura y los procesos y medios de instalación. Y hemos visto, por último, en la sección 3.1 (figs. 20 y 21) la necesaria y clara tendencia hacia aerogeneradores cada vez más grandes que demandan estructuras de soporte y medios o procesos de instalación más capaces y escalables. Todo ello pone el foco en las soluciones para las subestructuras y los procesos de instalación, que deberán proporcionar una sólida -y económica- base para el esperado desarrollo de un mercado cuya tendencia cada vez les exige más. 3.2.1 Estado del arte y experiencia La figura 24-a muestra la tipología y número de cimentaciones para aerogeneradores offshore instaladas a final de 2014 en Europa. La misma figura muestra representaciones de las tres tipologías que destacan como las más empleadas hasta la fecha: cimentaciones de gravedad, monopilotes y celosías o jackets. De entre ellas, el monopilote predomina claramente, habiendo

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for over 70 % of wind farm budgets, especially substructure, installation and maintenance. Yesterday’s standard capacity was around 5 MW; today that standard for the projects in the planning is around 8-MW. What tomorrow may bring has yet to be seen, but the trend is obvious. That major manufacturers such as Siemens are already talking publicly about developments for 10-MW machines is a clear indication. Another can be found in the H2020 programme, which mirrors and sets research and development trends in Europe: its 2015 edition includes and generously endows a specific programme for building prototypes for a new generation of the double-digit or ‘1X’-MW machines the concept and design of which have been under study for some time now. The sea, with its vast, clearance- and weighing station-free amplitude, constitutes the most suitable setting for such growth in pursuit of higher efficiency. After all, no matter how much wind turbines grow, they will always be small compared to other common marine structures built by the oil and gas, civil construction and naval industries (see Figure 23). That notwithstanding, the foregoing should not be interpreted, as it might reasonably be, to mean that size doesn’t matter at sea. Rather, the limit will ultimately be contingent upon how the many challenges in place are broached and in particular their dependence on certain installation resources and the constraints on capacity that such resources impose. Current and future wind turbine growth ultimately focuses our attention on one essential characteristic of the solutions and technologies that will be needed for the industry in an alreadyvisible future: scalability. Scalability, which is a measure of how well solutions adapt to a market that is heading toward larger wind turbines in deeper waters, poses substantial challenges that have a particularly heavy impact on support structures and installation means, items specifically addressed below. 333


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sido la opción escogida en casi un 80% de los casos hasta hoy. La solución de gravedad le sigue con algo más del 10% de los casos, mientras que la cuota de utilización de los jackets se sitúa hoy en el entorno del 5%. Se han empleado otras soluciones en Europa, como el trípode (ver fig. 24) o la tripila, que son tipologías alternativas de estructuras metálicas espaciales que se cimientan sobre tres pilotes para profundidades medias y altas. En Asía se han empleado profusamente también encepados elevados de pilotes múltiples (high rise pile cap), si bien su uso se restringe a parques de muy baja profundidad, por debajo en general de los 8 m. Otras tipologías se están desarrollando, entre las que cabe destacar soluciones como el suction bucket o el twisted jacket, que se han empleado con éxito como cimentaciones de torres meteorológicas a modo de pruebas piloto. En todo caso, repasar todo el panorama de soluciones existentes o en desarrollo excede el alcance del presente escrito, que al presentar el estado del arte se centrará en adelante en las tres tipologías principales que han dominado el mercado hasta hoy y es de prever que continúen haciéndolo en adelante. Varios de los parques de primera generación, incluyendo el primer y pionero parque de Vindeby (1991) o el primer gran parque comercial con turbinas multimegawatio en Middelgrunden (2000), se instalaron sobre cimentaciones de gravedad, que siguen hoy operativas y han un tenido un comportamiento muy satisfactorio haciendo gala de su natural robustez. Son estructuras masivas de hormigón, convencionales en múltiples sectores, que garantizan la estabilidad de torre y aerogenerador merced a su propio peso y al del lastre con el que acostumbran a rellenarse. Para ello requieren una suficiente dimensión en planta, que a su vez les permite repartir adecuadamente la carga en el terreno como cualquier otra cimentación superficial. Pocos años después, se introdujo la solución del monopilote, empleada por primera vez en el parque de Lely (1994) y ya a gran escala con aerogeneradores multimegawatio en el parque de Horns Rev (2002). La tipología consiste en un sencillo 334

3.2 Offshore support structures and installation processes Section 2.1 (Fig. 11) discusses the expected growth in demand for offshore wind farm-generated electric power, which to be met will call for increasingly industrialised substructures and installation processes to ensure higher productivity. The large share of offshore farm costs accounted for by these two items and consequently their instrumental role in improving the economics, i.e., in reducing the cost, of these facilities, are addressed in section 2.2 (Fig. 16). Section 3 (Fig. 17), in turn, shows that while the market trend to locate wind farms in deeper waters at a greater distance from the coast barely affects the turbine per se, it has a heavy impact on substructures and installation processes and equipment. Lastly, section 3.1 (Figs 20 and 21) describes the clear and necessary move toward ever larger wind turbines that call for sturdier, scalable support structures and installation equipment or processes. Taken together, the above circumstances put the spotlight on the solutions for substructures and installation processes, which will be key for the expected development of the market. 3.2.1 State of the art and experience Figure 24a shows the typology and number of offshore wind turbine foundations that were in place in Europe at year-end 2014. Figure 3.2.1.1(b) depicts the three most common typologies used to date: gravity, monopiles and jackets. Monopile foundations, clearly the option of choice, are in use in nearly 80 % of the existing facilities. They are followed by gravity, deployed in 10 % and by jackets, in 5 %. Other solutions have also been used in Europe, such as tripods and tripiles, alternative spatial steel structures for medium to deep depths that rest on three piles. In Asia high-rise pile caps have also been used profusely, although they are confined to wind farms at depths of a mere 8 m or less. Other typologies under development include suction buckets and twisted jackets, successfully tested in pilot foundations for wet masts.


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

pilote metálico de gran dimensión, con un diámetro análogo al de la propia torre a la que da continuidad. El monopilote se hinca varias decenas de metros en el fondo marino y en la solución más habitual se le añade en cabeza una importante pieza de transición a través de la cual queda unido a la base de la torre. En esencia el monopilote resiste las cargas de viento y oleaje reaccionando horizontalmente contra el terreno. Se trata por tanto de un pilote singular no sólo por su tamaño, sino también por su funcionamiento, que difiere esencialmente del de los pilotes convencionales habitualmente usados en otras innumerables aplicaciones offshore, concebidos para resistir cargas predominantemente verticales. Por su sencillez constructiva, geometría compacta de fácil transporte y similitud tipológica con la propia torre a la que da soporte, el monopilote se convirtió rápidamente en la solución más habitual, en particular conforme los parques tendieron a situarse a profundidades de más de 15-20 m, para los que

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As this chapter addresses the state of the art, however, a full review of all the solutions currently in place or under development lies outside its scope, which revolves around the three predominant typologies that may be expected to continue to prevail on the market in the years ahead. Several of the first-generation farms, including the pioneer Vindeby facility (1991) and Middelgrunden (2000), the first large-scale commercial farm with multi-megawatt turbines, were installed on gravity foundations that are still performing well and have exhibited very satisfactory durability, fruit of their natural robustness. These massive concrete structures, a conventional solution used in many fields, ensure tower and wind turbine stability on the grounds of their self-weight and the weight of the ballast with which they are normally filled. Their plan view dimensions must suffice to suitably transfer loads to the seabed, as in any other shallow foundations.

78,8% - 2.301. Monopilotes / Monopiles 10,4% - 303. De gravedad / Gravity 4,7% - 137. Jacket / Jacket 4,1% - 120. Trípodes / Tripods 1,9% - 55. Tripilas / Tripiles 0,1% - 2. Experimental / Experimental 0,1% - 2. Flotante / Floating

Fig. 24. (a) Cuota de utilización de las distintas tipologías de cimentación a finales de 2014 (Fuente: EWEA); (b) Representación de las 3 tipologías predominantes en el pasado y posiblemente en el futuro: gravity base, monopile y jacket.

Fig. 24. (a): Foundation typologies in place at year-end 2014 (source: EWEA); (b) three most prevalent typologies in the past and possibly the future: gravity, monopile and jacket

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la alternativa de gravedad suponía unos pesos y dimensiones de más difícil manejo para las costosas grúas marinas que se venían empleando para su instalación. No tardó en imponerse como la tipología de referencia y como hemos visto el monopilote sigue a día de hoy siendo la solución hegemónica en el sector de la eólica marina. Sin embargo, el propio funcionamiento resistente del monopilote, que como el de la torre no es otro que el de un tubo empotrado en su base trabajando a flexión, anticipaba inevitables límites en sus rangos de utilización eficiente, tanto a efectos de profundidad como de tamaño de aerogenerador. Limites no sólo ligados a la capacidad resistente sino también muy particularmente a su comportamiento dinámico. En efecto, su natural flexibilidad se acrecienta conforme la masa del aerogenerador es mayor, y sobre todo conforme aumenta la altura total de torre y monopilote, al hacerse más alta la primera y más profundo el segundo. Ello se traduce en una frecuencia natural del conjunto muy baja, con la que se corre el riesgo de generar indeseables amplificaciones dinámicas por resonancia, asociadas a una excesiva proximidad de dicha frecuencia natural a las frecuencias de giro del rotor o a los rangos de frecuencia más o menos habituales del oleaje. De lo anterior resulta que el diámetro y masa del monopilote deben crecer exponencialmente conforme aumentan la profundidad y la potencia del aerogenerador, y con ello también su coste y dificultad para la fabricación y ante todo la instalación. La primera década del siglo vio algunas nuevas y exitosas aplicaciones de cimentaciones de gravedad como las de los parques de Nysted (2003), Lillgrund (2006) o Rodsand (2008). En todo caso, el monopilote se fue convirtiendo cada vez más en el estándar del sector, monopolizando la mayor parte del mercado de las cimentaciones para eólica marina. Sin embargo, la proximidad de su umbral de aplicabilidad eficiente se tenía muy presente en el sector conforme la profundidad de los parques y el tamaño de los aerogeneradores aumentaban progresivamente. 336

Monopile foundations were introduced somewhat later and used for the first time at the Lely farm (1994) and on a large scale with multi-megawatt wind turbines at Horns Rev (2002). These foundations consist in a single, very large diameter steel pile similar in size to the tower it supports. Monopiles are driven several tens of metres into the seabed and most commonly attached to the base of the tower by means of a heavy transition piece. They are unique not only for their size, but also for how they work, for unlike the piles conventionally deployed in many other offshore applications, which are designed to bear predominantly vertical loads, they resist the loads induced by the wind and wave swells by reacting horizontally against the seabed. In light of their ease of construction, readily loaded-out compact geometry and typological similarity to the tower they support, monopile foundations fast became the most widespread solution. Especially in farms located at depths of over 15-20 m where the gravity option entails weights and dimensions harder to accommodate due to the costly offshore cranes required. They continue to prevail today. Nonetheless, given the resistance mechanism involved, monopiles (which like the tower are merely tubes restrained at a base subject to bending moments) were and are seen to be inescapably subject to limits in connection with water depths and turbine size. These constraints are associated not only with bearing capacity, but also and especially with dynamic behaviour. The natural flexibility of these structures grows with wind turbine mass and especially with total tower height and monopile depth. That translates into a very low natural frequency and the concomitant risk of undesirable resonanceinduced dynamic amplifications attendant upon excessive proximity to the natural frequency or frequencies of a rotating rotor or the usual ranges of wave frequency. It follows from the foregoing that monopile diameter and mass must grow exponentially with increased depth and wind turbine capacity, a circumstance with cost implications as well as fabrication and


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

La práctica totalidad de estudios y publicaciones especializadas en aquellos años situaba el límite de aplicabilidad del monopilote en el entorno de los 25 m o a lo sumo 30 m de profundidad y máquinas de no más de 5 MW. Por ello, se trabajó intensamente en el desarrollo de soluciones que pudiesen llenar el vacío que se preveía que el monopilote dejaría más allá de los 25-30 m de profundidad. Entre dichas soluciones se contaban diversos desarrollos de cimentaciones autoflotantes de gravedad, y distintas tipologías de jackets, como soluciones ambas amplia y satisfactoriamente usadas en otros sectores y en particular en el oil&gas, lo que las convertía en la opción natural para la siguiente generación de parques más profundos y máquinas más pesadas. Así, los jackets vieron su primera aplicación en la eólica marina a final de dicha década, en parques como Beatrice o el primer parque alemán de Alpha Ventus (2009). Conceptualmente claras, estas celosías emplean tubos metálicos y pueden adoptar diversas formas aunque hasta la fecha han sido casi siempre de 4 patas de suave inclinación. En general apoyan en el fondo a través de otros tantos pilotes hincados convencionales de reducido diámetro y que, al contrario que el monopilote, reciben fundamentalmente carga vertical. Sin embargo, y contra el pronóstico generalizado, los últimos años han demostrado que ese umbral de aplicabilidad de las cimentaciones con monopilote podía llevarse bastante más allá de lo que el sector en general venía anticipando. Habiendo dominado la primera década larga de desarrollo comercial de la eólica marina, la industria se ha habituado al monopilote en sus procesos, suministros, medios y operaciones, y se aferra a una solución que percibe todavía como la más controlada y estandarizada en el sector, tratando de estirar su aplicabilidad en parques más profundos con aerogeneradores más potentes. Además, el propio volumen generado en lo que va de siglo ha impulsado la capacidad de una cadena de suministro ya muy posicionada en el sector. Ello ha dado lugar al nacimiento de la siguiente generación de monopilotes, llamados XL o XXL,

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especially installation complications. Although the first decade of this century witnessed new and successful applications of gravity foundations such as in the farms at Nysted (2003), Lillgrund (2006) and Rodsand (2008), monopiles steadily became the industry standard, cornering most of the offshore wind foundation market. Nonetheless, as farm depth and turbine size grew, the proximity of their efficient applicability threshold became an issue that was not lost on the industry. Nearly all the specialised studies and publications dating from that decade set the applicability limit for monopiles at depths of around 25-30 m and a wind turbine size of 5 MW. For that reason, solutions were actively sought to fill the gap that was expected to arise once the 25-30 m depth limit was exceeded. The solutions developed included several types of self-buoyant gravity foundations and a number of jackets. Both had been widely and satisfactorily used in other industries, especially oil and gas, making them a logical option for the new generation of wind farms sited in deeper waters and fitted with heavier machines. Jackets were first applied to offshore wind toward the end of that decade in farms such as Beatrice and Germany’s first-ever farm, Alpha Ventus (2009). These conceptually simple lattices use steel tubes and can adopt any number of shapes, although to date they have nearly always consisted in four gently slanted legs. They generally rest on conventional small diameter piles driven into the seabed which, unlike monopiles, receive predominantly vertical loads. Contrary to the general assumption, however, the applicability threshold for monopile foundations has proven to be substantially higher than initially anticipated. After applying monopiles during its first decade-plus of commercial offshore wind development, the industry has become accustomed to the processes, supply chain, equipment and operations involved. As a result, it clings to what is still perceived as the standard, best controlled approach, attempting to stretch its 337


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applicability to farms in deeper waters with more powerful wind turbines. In addition, with the volume generated since the turn of the century, the industry’s supply chain has been strengthened and its position consolidated. That has given rise to the next generation of so-called XL or XXL monopiles, whose technical viability for wind farms in 25-40-m waters and unit capacities of around 6 MW is now acknowledged.

Masa (t) Mass (t) 1.000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1990

1995

(2002) Horns Rev 1 L = 34 m φ=4m

2000

2005

(2008) Lynn and Inner (2012) Dowsing London Array L = 45 m L = 68 m φ = 4.7 m φ = 5.7 m

2010

(2014) Baltic 2 L = 73,5 m φ = 6.5 m

2015

(2015) Gode Wind II L = 80 m φ = 8.5 m

10 m 20 m 30 m 40 m 50 m 60 m 70 m 80 m 90 m

Fig. 25. Evolución exponencial y veloz en el tamaño de los monopilotes Fig. 25. Exponential growth in monopile size 338

The foundations in future farms at low and medium depths of under 25-30 m may, then, be expected to continue to be practically monopolised by this type of foundations. At deeper depths, which in the years to come will account for most of the market, the demand for foundations will more than likely be met primarily by three aspiring typologies: self-buoyant gravity, jacket and ‘XL’ or heavy-duty monopile foundations. This review of the advantages and drawbacks of the three prevalent typologies could hardly begin without drawing a distinction that must not be overlooked. Gravity and jacket foundations are multi-purpose solutions that have been used on countless occasions in many industries. In contrast, largescale monopiles are a solution developed and implemented nearly exclusively for offshore wind and hence are a relative newcomer to the field. The conservativism with which offshore wind has at times been branded would therefore appear to be unjustified, given the steep growth curve for monopile technology illustrated in Figure 25, for which the wind industry may take sole merit. The mass of the XXL monopiles under study for farms at depths of >40 m that host >6-MW machines would set an absolute world record, exceeding the 900-t record, also presently held by offshore wind at the Gode Wind Farm, by nearly 25 %. That current record, in turn, doubles the mass of the largest structures in place just 5 years ago. The XXL monopiles planned for farms with depths of over 40 m nearly quadruple the mass of the largest monopile that has been in use in wind or any other application for the last 10 years. The circumstances surrounding jackets or gravity foundations are the the


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

cuya viabilidad técnica para parques en el entorno de los 35-40 m y 6 MW de potencia unitaria se da ya por demostrada. En el futuro, en lo que a sistemas de cimentación se refiere, parques a profundidades bajas y medias de menos de 25-30 m es de esperar que sigan prácticamente monopolizados por los monopilotes. Para profundidades más elevadas, que supondrán en adelante una cuota mayoritaria del mercado, cabe esperar que el mercado esté en el futuro cubierto en su muy mayor parte por tres aspirantes en lo que a tipología se refiere: cimentaciones de gravedad autoflotantes, jackets, y el monopilote que crece para dar el salto a la categoría de pesos pesados en su versión “XL”. Al explorar estas tres tipologías predominantes, con sus ventajas y desventajas, conviene quizás establecer una distinción previa que no debe pasar desapercibida. Por un lado, las cimentaciones de gravedad y los jackets son soluciones generalistas, que se han empleado en infinidad de ocasiones en otros múltiples sectores. Por otro lado y en contraposición, el monopilote de gran dimensión es una solución cuyo desarrollo y crecimiento viene impulsado prácticamente en exclusiva por la eólica marina y data por tanto de pocos años atrás. De hecho, no parece justificado tildar al sector de la eólica marina de conservador como en ocasiones se hace si se considera la tan rápida e intrépida curva de evolución y crecimiento en la tecnología del monopilote que el sector eólico impulsa en solitario, y que se ilustra en la figura 24. Los monopilotes XXL que se están considerando para los parques a 40 m+ y máquinas de 6 MW+ supondrán un record del mundo absoluto con una masa que excederá en cerca de un 25% al actual record mundial, establecido por la eólica marina en el parque de Gode Wind, cuyos monopiles pesaban más de 900 tn. Pero (derecha / right) Fig. 26. Comparativa, para las tres tipologías principales de cimentación, entre la aplicación en eólica marina y la más grande aplicación en otros sectores. Fig. 26. Comparison between offshore wind structures and the largest structures in other industries for each of the three main foundation typologies

OTROS SECTORES OTHER SECTORS

OFFSHORE WIND ENERGY

EÓLICA MARINA OFFSHORE WIND

GRAVITY BASE

JACKET

339


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

es que además dicho record actual, ya dobla en masa al que era el record del mundo sólo 5 años antes. Los monopilotes XXL previstos para parques a más de 40 m de profundidad casi cuadriplicarán la masa del mayor monopilote que haya estado en funcionamiento en eólica o cualquier otra aplicación al menos 10 años. Es, en ese sentido, una situación diametralmente opuesta a la que se da con los jackets o las cimentaciones de gravedad, cuyas aplicaciones para un parque a 40 m de profundidad casi pueden parecer un juguete si se comparan con las mayores aplicaciones que las anteceden (ver fig. 26), y que acumulan ya muchas décadas de satisfactorio comportamiento y operación en el exigente océano. A la vista de ello, sigue suponiendo un cierto misterio para quien esto escribe el que en el sector eólico se asocie con frecuencia al monopilote a un menor perfil de riesgo entre las soluciones de cimentación, lo que resulte quizás explicable para quien observe sólo al joven sector eólico, pero más difícilmente para quien considere el mucho mayor y veterano mundo de la construcción marina y offshore en toda su amplitud. Puede entenderse a la vista de lo anterior que las dudas que puedan rodear a las soluciones en jacket o en gravedad para la eólica marina poco tienen que ver con su capacidad y comportamiento en servicio, satisfactoriamente contrastados por una amplísima experiencia previa. Las dudas se concentran más en su idoneidad para la construcción e instalación industrializada de muchas unidades en cortos periodos de tiempo, que es una característica clave de la eólica marina poco habitual en otros sectores. En lo que se refiere a las principales ventajas y desventajas de una u otra solución, la Tabla 1 resume de forma cualitativa algunas de las principales. Los monopilotes presentan como principal e importante aval su economía y amplia experiencia acumulada en el sector eólico, si bien ambas cualidades requerirían cuanto menos matizarse cuando se da el salto a monopiles XXL, en un escalado no soportado por precedentes que es audaz en cuanto a comportamiento, y más aún en lo que se refiere a la disponibilidad de medios de instalación como luego veremos. 340

absolute opposite, for the size of the members used in farms beyond 40-m deep waters are almost ‘miniatures’ compared to the much larger scale use in other facilities (see Figure 26), where they have a track record of satisfactory performance in demanding ocean environments. That being the case, this author is still puzzled about why the offshore wind industry often deems monopiles to have a lower risk profile than other types of foundations. While perhaps a reasonable stance if the young wind industry is viewed in isolation, it is much less so when it is set against the backdrop of the more experienced world of offshore construction as a whole. In light of the foregoing, the doubts raised around jacket or gravity solutions for offshore wind may have little to do with their capacity or service performance, satisfactorily verified by a long history of success. Rather, they concern the suitability of these approaches for the industrialised construction and installation of a whole series of identical units in a short period of time, the key characteristic of offshore wind that is seldom present in other offshore industries. The Table 1 provides a qualitative summary of the main advantages and drawbacks to the three solutions. The basic strengths of monopile foundations, namely their relatively low cost and the experience acquired in the wind industry, are rather less indisputable where the XXL variety is concerned, for their bold, unprecedented scale raises questions not only about performance but also about the availability of installation resources, as discussed below. Gravity foundations, based on lower cost concrete structures, are generally agreed to constitute a robust solution and to deliver reliable service, as attested to by their performance in offshore wind since the outset, as well as in any other area of marine construction. As they are prized for their heavy weight, their application in medium and deep depths will surely call for self-buoyant and towable solutions. Given that these materials are readily adapted to floating, it makes little sense to base their


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

Las cimentaciones de gravedad, basadas en estructuras de hormigón de menor coste, están en general aceptadas como una solución robusta y fiable en operación, lo que han demostrado tanto desde el mismo origen en eólica offshore como en cualquier otro sector de la construcción marina. Siendo su elevado peso precisamente un atributo perseguido, la aplicación a profundidades medias y altas pasará sin duda por soluciones autoflotantes y remolcables. Son tipologías que pueden adecuarse fácilmente a la flotación, por lo que no tiene mucho sentido basar su transporte e instalación en grandes grúas marinas de elevado coste y reducida disponibilidad, cuando Arquímedes se presta a hacer ese trabajo sin pasar por caja. En ese sentido, el sector eólico en el que los varios centenares de cimentaciones de gravedad empleadas hasta la fecha se han instalado con grúas marinas supone una clara y llamativa excepción en el panorama global de la construcción marina. En la práctica totalidad de otros diversos sectores, el empleo de estructuras de gravedad se ha basado más habitualmente en soluciones autoflotantes, que además presentan la ventaja de que pueden acopiarse en mojado o a flote, evitando acopios en tierra que son grandes consumidores de un espacio portuario

OFFSHORE WIND ENERGY

load-out and installation on costly and scarce heavy lift offshore cranes, when Archimedes offers to do the work free of charge. The offshore wind industry, whose hundreds of gravity foundations built to date have been installed with offshore cranes, is a clear and striking exception in the overall sea-side construction scenario. In nearly all other industries, gravity foundations have usually been based on floating solutions, which have the additional advantage of being water-storable, eluding the need for scant and hence expensive in-harbour storage space. Their maintenance-free durability and suitability for use on rocky seabeds, which have such adverse effects on jacket and monopile sinking, are other desirable features. One of their major drawbacks is the possible need to prepare the seabed; the existence, definition and cost of that need depend on each individual case. While this does not as a rule pose problems of viability, it may involve substantial offshore resources and affect the pace of installation. Possible doubts about the cost-effectiveness of installation procedures based on towing and ballasting to anchor the foundations to the sea floor are also delaying the market penetration of this type of

TABLA 1 / TABLE 1

Pros y contras de las principales soluciones técnicas de cimentación Qualitative pros and cons of the main state-of-the-art foundation solutions operating performance solution

variants

cost

large experience

Gravity base

Jackets

other

bility

X

~

~

√√

√√

√√

~

low-depth.

√√

xxl-monopile

~

~

crane-based

~

self-buoyant

w/piles

~

~

√√

suction caissons

~

X

√√ very good √ good

dura

(structural)

wind

Monopile

scalability

installation large experience wind

other otros

√√

~

~

X

√ X

√√

√√

~

scalability (dependance on heavy lift)

X X √√ X

fabrication

noise

soil leveland suitability large supply lling or usage on for induschain prep. harbour trialization

√√

X

√√

X

~

~

X √√

~

~ X √ X

~

local content

~

(√)

~

√√

~

~ not so good X bad

341


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

escaso y por tanto costoso. Su durabilidad libre de mantenimiento, o su idoneidad para emplearse sobre terrenos rocosos –que penalizan tremendamente las necesarias hincas de jackets o monopiles– son algunas otras cualidades destacables. Entre sus principales desventajas, el posible requisito de una preparación de fondo cuya necesidad, definición y coste dependerá de cada caso, y que aunque no plantee en general dudas de viabilidad, sí puede involucrar medios marinos de importancia y afectar a los ritmos de instalación. Las posibles dudas sobre la eficacia y rendimiento de los procedimientos de instalación basados en el remolque y el lastrado hasta su apoyo en fondo también está retrasando la entrada en el mercado de este tipo de soluciones, al limitarse la experiencia previa en el sector eólico a las exitosas pero escasas instalaciones de distintas cimentaciones de gravedad para torres de medición. Se trata sin embargo de procedimientos muy habituales y ampliamente empleados en otros sectores de la construcción offshore, con lo que es de esperar que dichas dudas puedan disiparse con rapidez bajo el empuje de la mayor economía de este tipo de soluciones. Aunque mucho menos empleadas en el sector eólico, las soluciones tipo jacket arrojan pocas dudas sobre su adecuada capacidad e idoneidad estructural para soportar mayores máquinas a más profundidad, estando al igual que las cimentaciones de gravedad avaladas por una muy amplia y positiva experiencia fuera de la eólica. Entre sus desventajas, su elevado uso de material elaborado, con profusión de uniones, lo que eleva considerablemente el coste medio por kg de estructura, la escasez de suministradores capaces de producir los jackets de una gran parque con los rendimientos necesarios, y los complejos requerimientos logísticos y de acopio de la producción en grandes números de tan enormes estructuras. Sin duda un aspecto clave para evaluar la idoneidad y potencial de una u otra solución tendrá que ver con su capacidad para la industrialización de los procesos productivos; se trata de un requisito decisivo para sacar partido a la singular y valiosa oportunidad que ofrece el sector eólico, con su tan 342

solutions, since prior experience in offshore wind is confined to a successful but short number of gravity foundations installed for weather masts. Since this practice is very widespread in other offshore construction industries, however, these doubts will in all likelihood be quickly dispelled, driven by the lower cost of such solutions. Although muchless used in offshore wind, jacket solutions go generally unquestioned in terms of their capacity and structural suitability to bear larger machines at greater depths, as they, like gravity foundations, are endorsed by their excellent track record in other industries. Their drawbacks include the need for multiple connections with a concomitantly high cost per kg of structure, the paucity of suppliers of the scale necessary to produce jackets for large farms and the complex logistics and storage involved in handling large numbers of such huge structures. One of the key characteristics for assessing the suitability and potential of these solutions is the degree to which the respective production processes can be industrialised. This is an imperative for capitalising on a unique feature of wind farms, whose construction involves erecting a substantial number of practically identical units. One of the main advantages of monopiles over jackets, to compare the two steel structure options, is its readier repeatability. Conventional cast-in-place concrete solutions are also less prone to industrialised production, although that may be countered (see Figure 26) by deploying precasting techniques, which are highly cost-efficient when a certain number of identical elements are needed. Perhaps the most crucial of all the features and characteristics of the three solutions discussed here, however, is installation and associated processes. Wind farm installation on the high seas and the resources entailed may be the area on which project risk management is most focused. It is, moreover, the area that governs and limits solution scalability in terms of both depth and rated capacity.


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

amplia repetición de unidades prácticamente iguales. En ello radica una de las principales ventajas que, entre las opciones de estructura metálica, se atribuye a los monopilotes en comparación con los jackets. También las soluciones más convencionales de hormigón in-situ se prestan menos a una producción industrializada, si bien la situación puede invertirse (ver fig. 26) si se involucran convenientemente técnicas de prefabricación, muy efectivas y económicas cuando un cierto elemento debe producirse repetidamente. Pero entre todos estos importantes factores y características de una u otra solución, hay un aspecto que posiblemente destaque por encima del resto por su crítica relevancia: los procesos de instalación. La instalación de los parques en alta mar y los medios que involucra son el factor que posiblemente más afecte a la gestión de riesgos del proyecto, y es a día de hoy el que más gobierna y limita la escalabilidad de las soluciones tanto en profundidad como en potencia nominal. 3.2.2 Procesos de instalación de parques eólicos marinos. Principales retos y breve presentación de la tecnología ELISA Los procesos y medios de instalación son un aspecto absolutamente decisivo en la idoneidad, economía, riesgo y escalabilidad de cualquier solución que pueda plantearse para la construcción de parques eólicos marinos. Hasta la fecha, la instalación de todas y cada una de las más de 3 000 cimentaciones, torres o aerogeneradores marinos que operan en el mundo ha tenido siempre un elemento en común: el uso de grandes medios marinos de heavy-lift. El protagonismo de estos impresionantes medios es muy acentuado, hasta el punto de convertirse en no pocas ocasiones en un cuello de botella que por un lado condiciona la logística y gobierna los costes y riesgos de la construcción de parques, y por otro limita la capacidad de la industria ante el nuevo paradigma hacia el que el sector se dirige: máquinas más grandes en aguas más profundas. Básicamente dichos medios se agrupan en dos categorias: las grandes grúas flotantes (ver fig. 27 a y b) y los barcos jack-up

OFFSHORE WIND ENERGY

3.2.2 Installation of offshore wind farms. Major challenges and brief introduction to ELISA technology Installation ways and means are absolutely instrumental to the suitability, economy, risk and scalability of the construction of any offshore wind farm. The one characteristic shared by the works performed to install the over 3 000 wind turbine foundations and towers in place in the world today is the use of huge offshore heavy-lift equipment. In light of their key role in installation, it is not unusual for bottlenecks to form around their availability, conditioning the logistics and governing the cost and risk of farm construction. Those factors, in turn, weaken the industry’s ability to implement the new paradigm on the horizon: larger turbines in deeper waters. This equipment is categorised under two main headings: huge floating cranes (Figs 27 a) and b)) and jack-up vessels (Figs 27 c) and d)) whose hulls lifted entirely out of the water and rest on immense semi-submersible legs anchored on the seabed. The former are characterised by their high cost and hoisting capacity, although as they are seldom fit for efficiently carrying more than one unit from port at a time, they are more commonly used for on-site installation. Many can only be operated in fair weather. Jack-up vessels, which are larger, tend to be designed to carry more units and once their fixed platform is raised out of the water, assembly is efficient because it is not contingent upon the conditions at sea. They nonetheless also depend on sufficiently good weather to conduct the sensitive jack-up operation, which must be repeated at least twice at each position. Moreover, as a rule they have more restrictive loading constraints and (obviously) shallower maximum working depths than floating cranes. As the origin of many of these resources lies in the oil and gas industry, they are designed for one-off installation operations that can normally be scheduled to concur with favourable sea conditions. Consequently, the wind and wave limits to which 343


CON EL VIENTO A FAVOR

WITH A FAIR WIND

(ver fig. 27 c y d), equipados con grandes patas descendibles que permiten apoyar en el fondo marino para elevar fuera del agua todo el casco de la embarcación. Los primeros se caracterizan por su gran coste y capacidad de elevación, aunque son en muchos casos embarcaciones no hábiles para el transporte eficiente de múltiples unidades desde puerto, por lo que su uso se dirige más habitualmente a la propia instalación en el parque. Muchos de ellos exigen para operar condiciones meteorológicas benignas. Los mayores barcos Jack-up sí acostumbran a estar mejor preparados para el transporte de más unidades, y una vez elevados consiguen independizarse en gran medida de las condiciones del mar, trabajando desde una plataforma fija con muy buenos rendimientos de montaje. Sin embargo, siguen dependiendo de una meteorología suficientemente favorable para llevar a cabo la delicada operación de jack-up, a repetir al menos dos veces en cada posición; además, sus limitaciones de carga y obviamente de máxima profundidad de trabajo son habitualmente más restrictivas que las de las grúas flotantes. Muchos de dichos medios provienen del sector del oil&gas y han sido por tanto concebidos sobre todo para operaciones puntuales de instalación, que como tales pueden habitualmente programarse en buenas condiciones de mar; en consecuencia, los límites de viento y oleaje que muchos de ellos exigen para

many are subject may be overly restrictive for offshore wind, in which the installation of hundreds of components cannot be postponed in the hope of better weather. These circumstances are aggravated by the economics of these rigs, charged for by day of installation, whether or not meteorology or site delays prevent them from operating. As noted in section 2.2, those terms have entailed substantial cost overruns in more than a few farms. The unit price for this equipment is measured in hundreds of thousands of euros per day. The foregoing has led to the construction of jack-up vessels specifically designed for offshore wind, able to carry more (usually from five to eight) units, sail at higher speeds, hoist heavier loads, rest at greater depths and perform jack-up operations with waves measuring 2 metres or more. These conditions are a significant improvement over the limits to which standard oil and gas industry equipment is subject. Very few such specific, high performance rigs are available, however. Furthermore, despite the improvement in their features, they still decisively constrain the growing trend to build larger wind turbines in deeper waters. By way of example, one of the highest capacity, latest generation vessels, the MPI Discovery (Fig. 28), is unable to operate at depths of over 40 m, rendering it unfit for many future farms. Equally illustrative is the fact that Vestas and DNVGL have both

Fig. 27. Hasta la fecha, todos los aerogeneradores operando en el fondo marino han dependido para su instalación de los grandes medios marinos heavy-lift. Instalación de cimentaciones de gravedad (a) o jacket (b) mediante grúa flotante. Instalación de un monopilote (c) o aerogenerador (d) mediante barco jack-up

Fig. 27. Dependence of offshore wind farm installation on heavy-lift equipment: installation of gravity (a) and jacket (b) foundations with a floating crane: installation of a monopile (c) and a wind turbine (d) with a jack-up vessel

344


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

trabajar pueden ser demasiado restrictivos para la eólica marina, que requiere periodos continuados de instalación de centenares de componentes, que no pueden esperar a las mejores condiciones meteorológicas. Más aún considerando que el día que uno de estos medios no trabaja, por meteorología o cualquier otra problemática o retraso, lo cobra igual, lo que como se ha comentado en la sección 2.2 ha supuesto en no pocos parques relevantes sobrecostes. La unidad en la que se mide el coste de estos medios es la de centenares de miles de euros al día. Lo anterior ha llevado al diseño y construcción de algunos barcos jack-up específicamente concebidos para la eólica offshore, capaces de cargar más unidades (entre 5 y 8 habitualmente), navegar a más velocidad, izar mayores cargas y apoyarse más profundo, pudiendo llevar a cabo la operación de jack-up con olas de 2 m o incluso algo más, significativamente por encima de los límites habituales en los Jack-ups del sector del oil&gas. Sin embargo, estos medios específicos y más capaces son muy escasos. Y además, a pesar de sus mejoradas capacidades y prestaciones, siguen imponiendo decisivas restricciones en la cada vez más acentuada tendencia hacia aerogeneradores mayores y parques en aguas más profundas. A modo de ejemplo, uno de los más capaces barcos de última generación, el Discovery de MPI (ver fig. 28 a) no puede trabajar a profundidades de más de 40 m, lo que lo invalida para muchos parques futuros. Igualmente ilustrativo resulta por ejemplo que representantes de Vestas o dnvgl coincidan al afirmar que, en el año 2015, sólo existen en Europa tres o a lo sumo cuatro barcos capaces de instalar un aerogenerador de 8 MW incluso a profundidades medias, y que en otros países avanzados con enorme tradición marina como Japón, sencillamente no existe ninguno. La figura 28 muestra el ritmo de construcción de barcos específicos que harían falta para instalar los parques previstos en Europa hasta 2020. La construcción de nuevos barcos no está sin embargo avanzando con la velocidad que sería necesaria. Cada uno de estos magníficos medios supone una inversión que en general supera holgadamente los 100 millones de euros,

OFFSHORE WIND ENERGY

reported that in 2015 Europe had only three or at most four vessels able to install an 8-MW wind farm at medium depths, while other countries with a long seafaring tradition such as Japan have none at all. The graph in Figure 28 shows the pace at which specific vessels would have to be built to meet farm installation needs in Europe through 2020. Such shipbuilding is not progressing at the rate required, however. Each such barge entails an investment upward of 100 million euros. To assume that outlay, ship owners need a market with high and certain medium- and longterm volumes. Offshore wind promises but cannot guarantee such a market today, given its current dependence on government support. The outcome is that, in its trend toward the imperative of more powerful wind turbines in deeper waters, the market faces heavy and restrictive dependence on a scant supply of installation resources. The resulting oligopoly hinders the healthy competition afforded by a broader supply chain that is indispensable to lower costs. This is indisputably one of the major challenges facing the offshore wind industry today and the one which may well curb the desirable trend toward wind turbine scalability and rapid growth in installed capacity. It is likewise one of the elements that has driven the development of floating gravity foundations, whose non-dependence on such equipment affords an enormous advantage, not only economically and logistically speaking, but also in terms of the scalability of construction resources (Table 1). With weights upward of 1 000 t, the other two candidates (jackets and XXL monopiles) exceed the capacity of many offshore heavy-lift rigs. While floating gravity foundations free the first stage of farm construction from its dependence on huge offshore equipment, they are only a partial solution to the problem, inasmuch as the second stage, i.e., tower and nacelle assembly, continues to depend mightily on these resources. Aware of the challenge towards which the industry is moving, over the last 5 years Esteyco has developed and patented its 345


WITH A FAIR WIND

y para asumirla los armadores requieren un mercado de gran volumen y seguridad a medio y largo plazo. Mercado que la eólica marina augura prometedoramente pero no puede garantizar, en la medida en que es hoy todavía dependiente del soporte político. El resultado de todo ello es que, en su imprescindible evolución a aerogeneradores más potentes y profundos, el mercado se enfrenta a una enorme y limitante dependencia de un muy escaso número de medios de instalación, lo que induce un cierto tinte oligopólico y dificulta una sana competencia por parte de una más amplia cadena de suministro, que es indispensable en el camino de la reducción de costes. Este es sin duda uno de los principales retos a los que se enfrenta hoy la industria eólica marina y que en mayor medida puede frenar las deseables tendencias de escalabilidad de los aerogeneradores y de rápido crecimiento en la potencia instalada. Este es sin duda uno de los aspectos que ha impulsado el desarrollo de cimentaciones autoflotantes de gravedad, que al no depender de estos grandes medios proporcionan una importante ventaja, no ya sólo en cuanto a economía o logística, sino ante todo en escalabilidad en lo que a medios constructivos se refiere (ver Tabla 1). Con pesos que pueden superar las 1 000 tn, los otros dos aspirantes –jackets y monopilotes XXL– ya superan el techo de muchos de las más capaces embarcaciones heavy-lift. Sin embargo, aunque las cimentaciones autoflotantes de gravedad puedan ventajosamente independizarse de los grandes medios en una primera etapa del parque, siguen dependiendo decisivamente de ellos para la segunda etapa de montaje de la torre y la nacelle, con lo que sólo resuelven el problema a medias. Siendo conscientes de un tal reto al que el sector se dirigía, en los últimos 5 años Esteyco ha desarrollado y patentado la nueva tecnología Elisa, con el objetivo de poder contribuir a superarlo. Para ello Esteyco ha contado con el apoyo de instituciones de desarrollo tecnológico de referencia tanto a nivel nacional como internacional, incluyendo al CDTI (Centro para el Desarrollo 346

2012 - 2016

Until 2012 Número de barcos / Number of vessels

CON EL VIENTO A FAVOR

40

2016 Onwards

Toda la instalación en Instalación en aguas Instalación en aguas aguas poco profundas poco y medio profundas medio profundas y profundas All installation Installation in shallow in shallow water and medium water Installation in medium and deep water

30

33 Intervalo Range

20

17

10 0 2008

2010

2012

2014

2016

2018

2020

Source: BCG Model

Fig. 28. (arriba) número de barcos especializados necesario para atender las necesidades previstas para el mercado de la eólica marina (fuente: BGC Model); (abajo) Barco Jack-up de última generación (MPI Discovery)instalando torre y aerogenerador Fig. 28. (above) number of vessels needed to meet the offshore wind market’s expected needs (source BGC Model); (below) Latest generation jack-up vessel (MPI Discovery) installing tower and wind turbine


XI. ENERGÍA EÓLICA MARINA

Tecnológico Industrial) o a los programas europeos Eureka Eurostars, EEA Grants u Horizon 2020. Empresas de reconocida trayectoria en los sectores marítimo, naval u offshore han colaborado con Esteyco en dicho desarrollo, incluyendo a ALE Heavylift, Berenguer Ingenieros, Cedex (Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas), Aries Naval o Siport 21, además de Dnvgl como entidad certificadora o Principia y Applus Laboratories en el análisis y ensayo de distintos componentes estructurales. Se trata de una solución de cimentación y torre para aerogeneradores marinos conceptualmente sencilla, pero muy ambiciosa en las principales ventajas que persigue: nada menos que permitir una completa independencia de los grandes medios marinos de heavy-lift para la instalación del aerogenerador completo, que no tiene precedente en el sector, posibilitar una plena escalabilidad tanto en capacidad como en medios constructivos para atender la siguiente generación de parques más profundos con turbinas que tenderán a los 10 MW, y ante todo –y en consecuencia– generar una importante reducción de coste no sólo en la instalación sino también en la fabricación. Para ello, la solución Elisa –ilustrada en la fig. 29– emplea una cimentación de gravedad convencional a modo de plataforma provisionalmente flotante, que integra una torre telescópica autoelevable junto con el propio aerogenerador completo. La torre telescópica permite bajar el centro de gravedad del conjunto, de modo que la plataforma puede ser autoestable mientras la torre está plegada. Ello permitirá llevar a cabo el completo ensamblaje del conjunto en puerto, en condiciones plenamente controladas y evitando los riesgos inherentes a los ensamblajes en alta mar. La instalación en parque puede llevarse a cabo con medios auxiliares de reducido coste y remolcadores convencionales como único medio de apoyo. A pesar de ser una solución pionera a nivel mundial, se basa únicamente en la integración de sencillos sistemas y medios que se han empleado por doquier en otros sectores, como los heavy-lift strand jacks, cuyo ratio de coste por tonelada de capa-

OFFSHORE WIND ENERGY

Elisa technology with a view to contributing to a solution to these problems. In this endeavour, the firm has drawn from the support of highly reputed national and international technology development institutions, including Spain’s Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (Cdti, centre for the development of industrial technology) and its Centro de Estudios y Expermentación de Obras Públicas (Cedex: Centre for Public Works Studies and Experimentation), as well as European Eureka programmes such as Eurostars, EEA Grants and Horizon 2020. In addition, it has partnered with companies with renowned maritime, naval or offshore experience, such as ALE Heavylift, Berenguer Ingenieros, Aries Naval and Siport 21, as well as Dnvgl as certification agency, and Principia and Applus Laboratories, for structural component analysis and testing. This solution for offshore wind foundations and towers is conceptually simple, but the advantages pursued are ambitious: full and unprecedented independence in wind turbine installation, from start to finish, from huge heavy lift machinery; full scalability in terms of both capacity and the construction resources needed to install the next generation of up to 10 MW wind turbines in deeper waters; and especially and consequently, lower installation and fabrication costs. To that end, the Elisa solution illustrated in Figure 29 uses conventional gravity foundations as a provisional floating platform, in conjunction with a telescopic self-lifting tower onto which the fully equipped wind turbine is positioned. These telescopic towers lower the centre of gravity of the overall structure, self-stabilising the platform while the tower is ‘folded up’. As a result, the entire assembly can be put together onshore under wholly controlled conditions, thereby eluding the risks inherent in offshore assembly. Farm installation can be conducted with much lower cost ancillary resources and conventional towboats as the sole su