La eólica solo podría aportar un 7% de la energía primaria que consumimos en la actualidad.

Carlos de Castro Carranza, Profesor Departamento Física Aplicada, Universidad de Valladolid. Revista El Ecologista nº 73.

Las energías renovables tienen un impacto ambiental menor que las no renovables. Pero también son usadas por la biosfera y una captación importante por parte humana puede causar desequilibrios, igual que las emisiones de CO2 han alterado el sistema climático. Hay por tanto unos límites ecológicos en su explotación. Pero también existen unos límites físicos debidos a la disponibilidad y características del viento y de la tecnología para convertirlo en electricidad. Un límite y otro marcan un techo similar a la energía eólica mundial aprovechable: alrededor de 1 teravatio.

La finitud de los combustibles fósiles y nucleares y los problemas sociales y ambientales asociados a su consumo hacen que resulte necesaria una transición energética hacia las energías renovables durante este mismo siglo. Además, el elevado potencial teórico de la energía solar y eólica hace que sean este tipo de fuentes de energía los mejores candidatos para hacer esa transición.

En muchos casos esta transición se visualiza dentro de nuestro modelo social y económico, es decir, una transición que nos permita seguir creciendo en consumo, aumentar la eficiencia energética y a la vez, disminuir la carga de contaminación e impactos ambientales asociados al actual uso de energía.

En este sentido se han realizado estimaciones del potencial tecnológico, económico y ecológico de las diversas fuentes de energías renovables. Y se suele argumentar que, desde el plano tecnológico, su potencial es tan grande que solo barreras económicas o políticas pueden impedir dicha transición. A pesar del enfoque global de muchos de estos trabajos, la mayoría adolecen de una visión y aproximación verdaderamente holística al tema, lo que podría conducirnos a una explotación tan elevada de las energías llamadas verdes que generara problemas ecológicos graves.

Aquí nos vamos a centrar en el potencial de explotación de la energía eólica analizando los posibles límites ecológicos y fisico-tecnológicos de la misma.

Límites ecológicos

Desde la perspectiva de la teoría Gaia de Lovelock, la superficie de la Tierra se autorregula (clima, concentraciones de gases en atmósfera y océanos, salinidad…) mediante la intervención del conjunto de los seres vivos en estados que son aptos para la vida presente en cada momento. Incluso, la teoría Gaia Orgánica establece que la superficie de la Tierra funciona y se comporta de forma totalmente análoga a un organismo con fines propios [1].

Las fuentes energéticas que usa Gaia son renovables, principalmente solar y emplea no sólo la fotosíntesis como mecanismo de captación de esa energía, sino que utiliza y se beneficia de las olas y las corrientes oceánicas, del ciclo hidrológico y de los vientos como recursos energéticos.

Puesto que Gaia o la biota utiliza energías renovables para su funcionamiento, el uso a gran escala de estas energías por parte humana podría generar problemas en los ciclos de materia y energía que Gaia emplea. Estudios sobre la apropiación de la fotosíntesis por parte de las sociedades humanas arrojan ya hace tiempo que el uso de la biomasa es claramente insostenible y genera efectos adversos sobre la biosfera. Sin embargo, esos estudios globales no existen para otras formas energéticas empleadas por la biosfera, en el caso que nos ocupa, el viento.

En la figura 1 podemos observar el efecto local de un molino eólico sobre la niebla. En las fotos se ve cómo un solo molino gira lentamente dado que el viento es muy débil para que el resto de aerogeneradores se pongan a funcionar. Esta pequeña captación de energía cinética por parte de este molino es suficiente para dejar tras de sí una nube que no se disipó hasta que el molino se paró.

Figura 1. Imágenes tomadas con un intervalo de un par de segundos de un parque eólico en la costa de Lugo. Todos los molinos eólicos estaban parados menos el segundo de la izquierda. Detrás de él se observa claramente el efecto de la captación de energía del viento en la disipación de la niebla. La foto está tomada al amanecer y el ligero viento sobre la montaña era suficiente para ir disipando la niebla en el resto del parque. Foto: Autor.

Captar la energía del viento para producir electricidad significa, pues, usar una energía que también usa Gaia. Por tanto, si pasamos de la escala local a la global, la pregunta es: ¿qué porcentaje podemos usar sin distorsionar peligrosamente los ciclos de Gaia? ¿Puede ser el 1% de la potencia cinética disipada en las capas bajas de la atmósfera [2], donde mayoritariamente está la vida?

Si el potencial eólico ecológico a alturas menores de 200 metros fuese un 1% de la potencia que se disipara en esas capas, según nuestros cálculos [3], en los 200 primeros metros se disipan alrededor de 100 TW. Así, 1 TW sería la potencia cinética disipable por los molinos de viento clásicos. De ese teravatio destruido, solo una parte podría ser transformada en electricidad y la otra parte lo sería en calor. Como valor comparativo señalemos que la potencia de energía primaria disipada por la humanidad es de algo más de 15 TW.

Un teravatio nos puede parecer poco, pero, señalemos que menos del 1% del transporte de energía del ecuador a los polos (8.000 TW) es en forma de energía cinética, la mayor parte es calor y humedad (calor latente) que transporta el viento. De aquí podemos inferir que el viento aunque en sí transporta poca energía juega un papel esencial en el transporte global de energía sobre la superficie terrestre.

En cuanto al transporte de materia por parte del viento, este juega un papel muy importante en el traslado de polvo y otros materiales inorgánicos. El desierto del Sahara es probablemente el mayor generador de polvo que es suspendido en vientos, capaces de atravesar el océano Atlántico y depositarse en el continente americano. Este polvo contiene hierro que se considera el principal factor limitante para el crecimiento del plancton marino en muchas zonas; así, episodios de tormentas de polvo en el Sahara estarían sirviendo como fertilizante en el océano Atlántico e incluso, se especula, en la propia cuenca del Amazonas y su bosque tropical. Llenar este desierto con molinos eólicos y/o paneles fotovoltaicos podría reducir estos vientos y por tanto su papel ecológico global.

El viento también transporta partículas orgánicas y microorganismos. Muchos de ellos tienen un papel muy importante como núcleos de formación de nubes y por tanto indirectamente en el ciclo hidrológico y en el clima. La sal marina en el aire y los aerosoles orgánicos se forman en distintas cantidades que son función entre otros factores de la velocidad del viento.

El viento juega un papel esencial en el intercambio de gases entre los océanos, la atmósfera y los suelos. Si en bajas alturas la energía cinética que transporta el viento supone una potencia disipada de 100 TW, una parte de esta disipación se traslada al mar a través de las olas. Aproximadamente 20 TW es la potencia que disipan las olas en todos los mares (solo 3 TW rompen sobre las costas). Las olas suponen un incremento de la superficie efectiva de intercambio de gases considerable frente a un hipotético mar plano, por tanto, esos 20 TW son esenciales para el intercambio de gases de importancia biológica y climática. A su vez, las olas y las mareas son las responsables del intercambio energético y de parte del de materiales entre el mar y los continentes.

Una parte pequeña de la energía cinética del viento (aproximadamente 1 TW) alimenta las corrientes marinas que a su vez trasladan calor a razón de 1.200 TW. La circulación termohalina oceánica es la principal fuente energética que sirve para mezclar las aguas oceánicas. Los vientos generan más de la mitad de la energía que se necesita para mover y mantener esa enorme cantidad de energía movilizada por las corrientes oceánicas. Por tanto, de nuevo aquí su papel en los ciclos de la biosfera es esencial, y la captación de energía a bajas alturas podría tener una influencia muy grande si una fracción apreciable se captara por parte humana.

Límites físico-tecnológicos

Los cálculos de los potenciales técnicos encontrados en la literatura científica están basados en la medición de las velocidades del viento en muchos puntos de la superficie de la Tierra y a partir de esas velocidades se estiman los sitios aptos para los parques eólicos, excluyendo las zonas de bajas velocidades y los sitios impracticables como aguas profundas. Luego se calcula la energía cinética que los parques eólicos podrían atrapar en las zonas aptas. A partir de este cálculo de potencial técnico, se estiman los potenciales económicos y ecológicos.

Sin embargo, la metodología empleada es errónea al no considerar el tiempo de permanencia promedio de la energía cinética en la atmósfera y extrapolar sin más lo que es una energía/potencia medida en un sitio muy local a toda la superficie de la Tierra. Es decir, las metodologías anteriores violan la ley de conservación de la energía [3,4].

Nosotros hemos desarrollado una nueva metodología (de arriba hacia abajo o top-down) [3], en la que partimos de la estimación de la potencia cinética que se disipa a alturas captables por molinos de viento partiendo de la conservación de la energía.

Un resumen de nuestros cálculos [3] es el siguiente: de la potencia eólica total de 100 TW disponible será extraíble un porcentaje que quedará reducido por al menos cinco factores:

1. Energía del viento que no interactúa con las palas de los aerogeneradores

Para evitar que un parque eólico de muchos aerogeneradores pierda eficiencia debido a la interferencia entre turbinas, se deja un espacio típico entre molinos. Un frente de viento al que se le interponen aerogeneradores no sería captado por ninguna pala en un porcentaje de la superficie rectangular que ocupa dicho parque (ver figura 2). Además, por la separación necesaria entre molinos, al menos una fracción del viento incidente tampoco llega a atravesar la superficie de ningún aerogenerador aunque un parque esté compuesto de varias filas. Nuestra estimación es que este factor, f1 = 0,3.

Figura 2. En un parque eólico, la superficie de captación de viento de cada aerogenerador es S1. Si los molinos están en el mismo plano horizontal, cada molino ocupa una superficie del frente de viento S1 + S2, siendo S2 la superficie no barrida por las palas. Además, aunque se dispongan varias filas, existirá siempre una superficie S3 entre molinos en la que el frente de viento es libre. Por tanto, f1 = S1 / (S1+ S2 + S3).

2. Energía de las velocidades del viento que no rinden

Un aerogenerador no funciona a bajas velocidades del viento ni a muy altas, y se diseña para dar una potencia máxima en un espectro de velocidades determinado. Esto significa que durante muchas horas al año el generador no capta una energía cinética que atraviesa sus palas. f2 < 0,75.

3. Eficiencia de conversión en electricidad de la energía cinética del viento captado

En la actualidad aproximadamente el rendimiento eléctrico de los aerogeneradores es de un tercio. Si en el futuro este aspecto se mejora acercándonos al límite que impone la ley de Betz: f3 = 0,5.

4. Energía de las zonas geográficas accesibles

No toda la superficie de la Tierra es apta para captar la energía cinética: zonas de aguas profundas, permanentemente cubiertas de hielos, ciudades, etc., en principio no serán explotados de forma significativa. Además, el continente más ventoso es precisamente el Antártico y el viento sopla con mucha más energía en el mar que en tierra. Así pues perderíamos más del 80% de la energía de los vientos por estar en sitios inaccesibles: f4 < 0,2.

5. Energía de las zonas con potencial eólico adecuado

Aún en sitios geográficamente accesibles, sólo se ocuparían los sitios en los que la potencia del viento promedio al año sea adecuada (potencia de viento de clase  3). Aproximadamente la mitad de toda la energía cinética de las zonas geográficamente accesibles están en zonas aptas. Por tanto: f5 = 0,5.

El potencial técnico de conversión en energía eléctrica de todos los vientos del mundo a alturas menores de 200 metros quedaría: PT (h < 200) = P0 (h < 200) • f1• f2 • f3 • f4 • f5 < 100 TW• 0,011, es decir, alrededor de 1 teravatio (1 TW).

Conclusión

La potencia técnica eléctrica máxima para la energía eólica es de aproximadamente 1 TW. La ecológica es quizás incluso menor bajo un principio de precaución. Por tanto ésta energía no será muy significativa en un mix energético que aspire a un aumento global de la demanda en el futuro.

Por otro lado, la potencia eléctrica producida en la actualidad es de unos 0,05 TW con lo que aún podría expandirse 20 veces esta industria sin considerar otro tipo de límites. La aproximación a este límite puede generar una nueva “tragedia de los comunes” en la que se necesite regular los derechos de acceso al viento a escala nacional e internacional, ya que la aparente abundancia alejaba hasta ahora los posibles conflictos.

Las energías renovables son consideradas verdes porque su impacto ambiental es pequeño frente a las no renovables. Sin embargo, debemos recordar que son usadas por la biosfera y que una captación importante por parte humana puede desequilibrarla, de forma análoga a cómo las emisiones asociadas a los combustibles fósiles han desequilibrado el sistema climático de la Tierra. En el caso de los vientos hemos visto que aquellos que captamos a baja altura pueden interferir con funciones esenciales de la biosfera o Gaia y que la potencia que disipan esos vientos no es enormemente mayor que la actualmente consumida por la humanidad. Otras energías renovables, como la mareas o las olas cerca de las costas, estarán aún más limitadas porque la potencia que se disipa en ellas en toda la Tierra es pequeña incluso comparándola con el consumo energético humano actual.

Empieza pues a ser necesario plantearse que la transición energética supondrá un cambio de modelo económico profundo, uno que sea capaz de adaptarse a un decrecimiento mundial de la oferta energética.

Notas y referencias:
1. de Castro C., (2008): El Origen de Gaia: una teoría holista de la evolución. Ed. Abecedario.
2. En los años 50 del pasado siglo superamos la concentración de CO2 en la atmósfera del último millón de años con emisiones anuales que entonces andaban por una parte en 200 (el 0,5%) de las fuentes y sumideros de CO2 naturales. Suficiente para empezar a desequilibrar, ya entonces, el clima. Hoy emitimos 10 veces más y ya hablamos de la necesidad de disminuir rápidamente no sólo las emisiones, sino la concentración de CO2 en la atmósfera.
3. de Castro C. et al., 2011. “Global wind power potential: physical and technological limits”. Energy Policy. 39:6677-6682.
4. Gans F. et al., 2010: “The problem of the second wind turbine – a note on a common but flawed wind power estimation method”. Earth Syst. Dynam. Discuss., 1, 103-114.