Domingo, 17.12.2017 - 12:56 h

Una investigación aporta nuevos datos sobre la naturaleza de las fluctuaciones de la energía eólica

Debido a que la red no tiene almacenamiento y a diferencia del carbón o la energía nuclear, no hay control sobre la fluctuación de la producción de energía renovable, de forma que la energía que se produce debe consumirse de inmediato o existe riesgo de colapso de la red eléctrica. En días particularmente ventosos, por ejemplo, se sabe que las oleadas de energía generadas por las turbinas eólicas abruman la red eléctrica, causando cortes de energía.

Para evitar esto, los operadores de las grandes centrales eléctricas a veces recurren a pagar a los consumidores para que utilicen la electricidad en días particularmente soleados y con mucho viento cuando hay demasiados excesos de energía en el sistema con el objetivo de equilibrar la oferta y la demanda de energía en la red.

El tratamiento de los picos y las caídas de la energía renovable intermitente será cada vez más difícil a medida que los gobiernos traten de eliminar gradualmente las fuentes de energía más estables de carbón en las próximas décadas. Con el fin de mitigar o gestionar estas fluctuaciones en la energía renovable, es necesario entender mejor la naturaleza de estas fluctuaciones.

El profesor Mahesh Bandi, jefe de la Unidad de Interacciones Colectivas del Instituto de Ciencias y Tecnología de Okinawa (OIST, por sus siglas en inglés), ha utilizado la teoría de la turbulencia combinada con datos experimentales de la planta eólica para explicar la naturaleza estadística de las fluctuaciones de la energía eólica en un documento de un solo autor publicado en 'Physical Review Letters'.

Los patrones de velocidad del viento se pueden representar como un espectro de la velocidad del viento en un gráfico. En 1941, el físico ruso Andrei Kolmogorov calculó el espectro de las fluctuaciones de la velocidad del viento. Posteriormente, se demostró que el espectro para la energía eólica sigue exactamente el mismo patrón.

Sin embargo, hasta ahora, se suponía simplemente que estos espectros eran idénticos debido a la relación entre la potencia y la velocidad, donde el la energía es igual a la velocidad del viento al cubo. Ahora, el profesor Bandi ha demostrado por primera vez que el espectro de las fluctuaciones de la energía eólica sigue el mismo patrón que las fluctuaciones de la velocidad del viento por una razón diferente.

El resultado de Kolmogorov de 1941 se aplica a las mediciones de la velocidad del viento realizadas en varios puntos distribuidos en el espacio al mismo tiempo, pero las fluctuaciones de la energía eólica en una turbina se miden en un lugar fijo durante un periodo de tiempo prolongado. Las dos mediciones son fundamentalmente diferentes y, teniendo en cuenta cuidadosamente esta diferencia, el profesor Bandi fue capaz de explicar el espectro de las fluctuaciones de la energía eólica para una turbina individual.

Podemos pensar en la turbulencia como una bola de aire, o un "remolino", de la velocidad fluctuante del viento. Los remolinos de larga escala y de baja frecuencia pueden recorrer cientos de kilómetros. Dentro de estos remolinos grandes están remolinos más cortos en la escala de tiempo y de alta frecuencia que podrían abarcar algunos kilómetros.

Por lo tanto, si todas las turbinas de la misma planta eólica se encuentran dentro de los mismos remolinos de escala de tiempo corto y largo, la energía que producen fluctúa como si toda la planta fuera una turbina gigante. Esto es exactamente lo que el profesor Bandi encontró cuando observó las fluctuaciones de la energía eólica de todas las turbinas en una planta eólica en Texas, Estados Unidos.

De hecho, incluso las plantas eólicas geográficamente dispersas pueden exhibir fluctuaciones correlacionadas en energía si caen dentro de los mismos remolinos de escala de tiempo cortos y largos. Sin embargo, a medida que aumenta la distancia entre las plantas eólicas, sus fluctuaciones de energía empiezan a desacoplarse unas de otras.

Dos plantas de viento dispersas geográficamente podrían encontrar las mismas fluctuaciones de velocidad de viento a largo plazo, mientras que encuentran fluctuaciones de velocidad del viento de escala de tiempo más cortas completamente distintas.

En el pasado, algunos científicos han subestimado el problema de la turbulencia, argumentando que la potencia producida por las turbinas eólicas geográficamente dispersas en lugares ventosos y tranquilos en cualquier punto en el tiempo promediará cuando alcancen una red eléctrica centralizada. Sin embargo, los hallazgos del profesor Bandi muestran por primera vez que este fenómeno, conocido como "suavizado geográfico", sólo funciona hasta cierto punto.

EXISTE UN LÍMITE NATURAL AL PROMEDIO DE LAS FLUCTUACIONES

La potencia generada por las turbinas geográficamente dispersas promedia en las frecuencias altas porque mientras una planta podría caer dentro de los remolinos a corto plazo, la otra no. En otras palabras, la salida de potencia en una planta es promediada por un canal en la salida de potencia de otra planta muy lejana a altas frecuencias.

Pero debido a que las plantas todavía caen dentro del mismo remolino en una escala de tiempo, la energía que producen tendrá fluctuaciones correlacionadas en las frecuencias bajas, que generan la mayor potencia. Una oleada de potencia en una planta de turbina eólica coincidirá con la oleada en una planta lejana dentro del mismo remolino en una larga escala de tiempo, lo que significa que la potencia que suministran a la red no puede promediarse.

Esto significa que hay un límite natural a cuánto se pueden promediar las fluctuaciones en la energía eólica; un límite más allá del cual las fluctuaciones pueden continuar causando estragos en la red. Utilizando datos de 20 plantas eólicas en Texas y 224 parques eólicos en Irlanda, el profesor Bandi demostró que este límite existe en realidad.

"Entender la naturaleza de las fluctuaciones en la energía de las turbinas eólicas tiene implicaciones inmediatas para la toma de decisiones económicas y políticas", dice el profesor Bandi. Debido a la variabilidad de las energías renovables, las centrales eléctricas alimentadas con carbón que proporcionan energía de reserva se mantienen funcionando en caso de apagones repentinos, lo que significa que se produce más energía de la necesaria.

Esto significa que la energía "verde" sigue contribuyendo a las emisiones de carbono y hay un costo asociado al mantenimiento de la energía de reserva, que sólo aumentará a medida que la proporción de renovables aumente en los próximos años. El descubrimiento de un límite en el suavizado geográfico, articulado por el profesor Bandi, permitirá estimar mejor el monto operativo de las reservas que debe mantenerse.

Este descubrimiento también afectará la política ambiental. Al considerar el límite para el promedio de las fluctuaciones de energía, combinado con la disponibilidad de diferentes recursos renovables como el sol, el viento y las olas en un área en particular, los diseñadores de políticas estarán mejor equipados para elaborar combinaciones óptimas de diferentes fuentes de energía para regiones específicas

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