Los aerogeneradores ya forman parte del paisaje de España, con una producción de más de 68.000 GWh y hasta el 25% del mix energético, según datos de Red Eléctrica Española. Sin embargo, estos gigantescos molinos de viento no tienen un único diseño, y cada vez hay más propuestas alternativas, como la que no tiene palas y se adapta a los cambios de viento para dar luz a cientos de hogares. Una de las soluciones más extendidas, aunque todavía no es tan habitual, es la que apuesta por turbinas de eje vertical o VAWT, que no giran paralelas al viento, sino perpendiculares a él.

Este tipo de aerogeneradores, cuyos antecedentes se remontan al siglo VIII en Oriente Medio y se utilizaban para moler grano, tienen diversas ventajas frente a los convencionales: son más silenciosos, tienen una mayor densidad de energía y son menos peligrosas para las aves. Sin embargo, tienen un gran punto débil, que impide su funcionamiento si no hay un flujo de aire continuo y los hace vulnerables frente a fuertes vientos. Por eso hay investigadores como Sébastien Le Fouest, del Laboratorio de Diagnóstico de Flujos Inestables (UNFOLD) de la Facultad de Ingeniería de Lausana (Suiza), empeñados en mejorar su diseño para aprovechar todas sus virtudes y eliminar sus desventajas.

En un estudio publicado recientemente en Nature Communications, Le Fouest propone una combinación de sensores y aprendizaje automático para decidir la inclinación óptima de las palas y mejorar drásticamente el rendimiento de este tipo de turbinas. Su propuesta, afirma el equipo del que también forma parte Karen Mulleners, directora de UNFOLD, aumenta el rendimiento de estos aerogeneradores en un 200% y reduce las vibraciones que amenazan su estructura en caso de fuertes rachas en un 77%.

Más producción

El ambicioso objetivo marcado por las Naciones Unidas que busca frenar o incluso revertir el cambio climático fijó un horizonte de cero emisiones netas para 2050. Y Europa está intentando llegar a esa meta, instalando cerca de 20 GW de energías renovables cada año, pero no lo hace a la velocidad suficiente. Para alcanzarlo, según Le Fouest, debería ampliarse hasta los 30 GW anuales. 

"Los obstáculos no son financieros, sino sociales y legislativos. Hay muy poca aceptación social de los aerogeneradores por su tamaño y ruido", afirma el investigador en un comunicado de prensa. Tanto una cosa como la otra tienen una solución: nuevos diseños que solucionen esas barreras y amplíen sus posibilidades.

Sébastien Le Fouest junto a un prototipo de aerogenerador de palas verticales Alain Herzog Omicrono

Todo parece confluir en los aerogeneradores VAWT. Sin embargo, para conseguir su adopción masiva frente a las enormes turbinas que vemos tanto en tierra como en el mar, todavía hay que resolver un importante inconveniente: su necesidad de un flujo de aire moderado y continuo y sus dificultades para operar cuando el viento tiene más fuerza.

El fenómeno conocido como pérdida dinámica, que se produce cuando una fuerte ráfaga de viento forma un vórtice aumentando el ángulo entre el aire y la pala, crea grandes problemas a este tipo de dispositivos. Eso impide que produzcan energía aprovechando los vientos más fuertes y puede llegar a romperlos, reduciendo sus ventajas competitivas frente a los HAWT o aerogeneradores horizontales.

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Los científicos de la EPFL llevan años trabajando en remediar esa falta de resistencia a los vientos fuertes en este tipo de turbinas. Para ello, han instalado sensores para medir con precisión la fuerza que ejerce el viento sobre el eje de transmisión de cada pala. Para comprobar cómo cambiaban esas fuerzas, inclinaron la pala en diferentes ángulos, velocidades y amplitudes para obtener distintos "perfiles de inclinación".

Con todos esos datos, alimentaron un algoritmo genético, que propuso más de 3.500 posibles diseños experimentales. Imitando un proceso evolutivo, este sistema de aprendizaje automático fue seleccionando los perfiles de inclinación que ofrecían los mejores resultados, recombinándolos hasta crear el mejor perfil posible.

Así, el equipo de la EPFL pudo identificar dos series de perfiles de inclinación que optimizaban tanto el rendimiento como la robustez de las turbinas, convirtiendo en ventajas las que habían identificado anteriormente como grandes puntos débiles de este tipo de aerogeneradores. 

"La mayoría de los aerogeneradores dirigen la fuerza generada por las palas hacia arriba, lo que no facilita la rotación", explica Le Fouest. "Cambiar este ángulo no sólo crea un vórtice más pequeño, sino que también lo empuja hacia atrás en el momento adecuado, lo que lleva a la formación de una segunda zona de producción de energía en la dirección del viento."

El aerogenerador Vertical Sky A32. Agile Wind Power 2022 Omicrono

El próximo paso será la construcción de un prototipo de este molino VAWT para demostrar si las simulaciones por ordenador se corresponden con un funcionamiento óptimo en condiciones reales una vez instalado. "Esperamos que este método de control del flujo de aire ayude a evolucionar la tecnología VAWT, haciéndola eficiente y fiable, para que pueda comercializarse", concluye el investigador.

La versión italiana

Otros científicos, en este caso provenientes de la Universidad de Pisa (Italia), también apuntan en la misma dirección. A través de la startup Gevi, han desarrollado unos aerogeneradores verticales con sensores inteligentes incorporados y un software con inteligencia artificial. Eso les permite adaptarse a diversas ubicaciones y condiciones de viento con un sólo objetivo: maximizar la producción de energía limpia.

El aerogenerador vertical de Gevi Wind Gevi Wind Omicrono

En el caso de las turbinas desarrolladas por Gevi, sus palas pueden moverse independientemente unas de otras. Su ángulo de inclinación se controla de forma remota y automática en tiempo real, para adaptar su posición según la dirección e intensidad del viento entrante.

El rendimiento resultante de la turbina es superior en un 45% al que podría obtener una turbina de palas verticales convencional. Además, el sistema automatizado de control de las palas aporta de manera continua datos sobre la integridad y la fatiga estructural de las distintas partes del aerogenerador, para reducir activamente las vibraciones y las cargas dinámicas sobre las palas y la pequeña torre. Esto sirve para prolongar la vida útil del aerogenerador, lo hace más ligero y simplifica su instalación.

Tras diseñar y fabricar prototipos de dimensiones reducidas, su último piloto tiene una potencia de 2 kW, con 2,5 metros de diámetro y 1,8 metros de altura. Es un tamaño ideal para poder instalarlo en un tejado, por ejemplo, aunque los planes de Gevi pasan por seguir aumentando esas dimensiones para poder llegar hasta los 20 kilovatios de potencia.