Agustín Arjonilla, responsable de sistemas AWE de CT

La humanidad ha utilizado el viento desde sus albores. La primera máquina eólica conocida aparece en el año 1700 a.C. en Babilonia y se utilizaba para bombear agua, aunque parece que en la antigua Persia se utilizaban ya molinos de eje vertical para moler grano. Desde allí, su uso se extendió a otras partes de Asia, y luego a Europa. La evolución tecnológica de los dispositivos captadores de energía eólica nos ha llevado en la actualidad al uso de aeronaves autónomas cautivas. Estas aeronaves se emplean como dispositivos captadores de energía eólica volando en viento cruzado, y su energía se transmite a tierra; por lo que se consideran drones cautivos. Estos peculiares sistemas dron se denominan en inglés como Airborne Wind Energy Systems o AWES.

Los AWES aglutinan múltiples conceptos para la conversión de la energía del viento en energía eléctrica gracias a aeronaves conectadas a tierra con un cable. Los dos conceptos principales son: la generación eléctrica a bordo del vehículo (“fly-gen”) o en tierra (“ground-gen”).

Los AWES son una tecnología todavía joven. Sus fundamentos matemáticos se presentaron en el artículo científico: “Crosswind Kite Power” de Miles L. Loyd en 1980. Durante los años noventa, la investigación sobre AWES fue prácticamente abandonada por falta de tecnología; pero en la última década, el sector ha experimentado una aceleración extremadamente rápida gracias a las tecnologías de los drones. En la actualidad existe un ecosistema AWES formado por PYMES tipo “start-ups” y “spin-offs” de universidades que han desarrollado demostradores tecnológicos de entre 100 kW y 600 kW.

Razones para utilizar tecnología AWES para la generación de energía eléctrica

1. Permite el acceso a mayores y mejores recursos eólicos
El viento a grandes alturas tiene varias ventajas respecto al viento cerca del suelo: tiene más energía (p.ej. la densidad energética del viento se duplica entre los 500 y 1500 metros), es más limpio (las turbulencias orográficas desaparecen) y sopla durante más tiempo.

Los AWES nacieron para poder acceder a estos vientos; ya que los aerogeneradores tradicionales no pueden alcanzar las alturas donde operan los AWES.

2. Mitiga el problema de la intermitencia de las fuentes renovables
En 2016, Bill Gates pidió "Milagros en el campo de la energía". Con milagros se refería a nuevas tecnologías que pudieran resolver el problema de la intermitencia de las fuentes de energía renovables (cuando no hay sol o no sopla el viento no hay generación solar ni eólica). Cuando se le pidió que nombrara tales avances potenciales o tecnologías "milagrosas", Bill Gates mencionó la energía eólica a gran altitud y la calificó como una "solución mágica potencial" para el problema energético del mundo. En otra entrevista, calificó la energía eólica de gran altitud (High-Altitude Wind Energy) como una de las tres tecnologías más prometedoras para la generación de energía renovable.

Siendo realistas, aún tendremos que esperar algunos años antes de disponer de las tecnologías (especialmente de los materiales que componen el cable) para alcanzar alturas mayores de 500m; pero con los actuales 200 a 500m podemos acceder a los vientos que están por encima de la capa límite atmosférica, que son más constantes y que mejoran el factor de capacidad (75%) de los actuales sistemas de generación solar (12%) y eólica (35%).

3. Disminuye los costes de generación (LCOE)
Introducir una nueva tecnología en el mundo real no es tarea fácil. Hay que superar muchas barreras de entrada. Cuando el mercado se plantea adoptar una nueva tecnología, es porque ésta mejora a las actuales en al menos un aspecto (p.ej. economía, medioambiente, factores sociales, etc) y lo hace de una forma significativa (p.ej. mejorándolo al menos un 50%).

Cuando nos planteamos cuantificar las mejoras en el aspecto económico de los sistemas de generación renovable, lo mejor es comparar los costes normalizados de la energía (en inglés “Levelized Cost Of Energy” o LCOE). El LCOE representa la suma de los costes de un activo de generación de energía durante su periodo de vida (desde su construcción, hasta su reciclado) respecto a la energía que ha producido en dicho tiempo (€/MWh).

Los aerogeneradores convencionales son las soluciones renovables de más bajo LCOE dada su madurez tecnológica. Dado que no existen sistemas AWES en operación real, más allá de unos pocos demostradores de concepto que funcionan con un cierto grado de autonomía, no podemos considerar sus aspectos de operación y mantenimiento (OPEX); pero si podemos cuantificar los costes de inversión (CAPEX) e inferir los costes de reciclado.

Un sistema AWES sustituye varios elementos de un aerogenerador convencional: palas, góndola, torre y cimentación; por una aeronave y un cable para generar la misma energía. Esta transformación en un sistema AWES consigue un ahorro en el CAPEX del 50% en una infraestructura típica.

En cuanto a los costes de reciclado, se puede inferir que son mucho menores; ya que la comparación de la masa de un AWES respecto a un aerogenerador convencional es de aproximadamente un tercio; por lo que obtenemos un ahorro del 66% en cuanto a la masa de la materia a reciclar. Además, evitamos uno de los grandes problemas de los aerogeneradores convencionales: el reciclado de las palas, que al estar hechas típicamente de materiales compuestos son difíciles de reciclar debido a su composición y estructura.

4. Reduce la huella de carbono de la generación eólica renovable
La huella de carbono de un producto es un indicador ambiental, medido en masa de CO₂ equivalente, que pretende reflejar la totalidad de gases de efecto invernadero (GEI) emitidos por efecto directo o indirecto durante el ciclo de vida de dicho producto.

Este indicador se ha analizado en el estudio: “Life Cycle Assessment of Electricity Production from Airborne Wind Energy” de Stefan Wilhem) basado en un sistema AWES ficticio de 1,8 Mw que incluye todos los componentes necesarios hasta la conexión a la red eléctrica. Este sistema se compara con un aerogenerador convencional de potencia similar y la conclusión es que la planta AWE estudiada tiene una huella de carbono del 49% respecto del aerogenerador convencional.

5. Causa menor impacto visual
Para la misma potencia generada, factores como la altura de un aerogenerador o la extensión ocupada por un huerto solar causan un mayor impacto visual que una pequeña aeronave volando a varios cientos de metros por encima de un pequeño contenedor.

6. Provee mayor flexibilidad
Los AWES permiten poder disponer de un sistema de generación renovable que se instala y se desinstala en unos minutos y que además se puede transportar fácilmente, asentar y operar en casi cualquier parte del mundo. Esta flexibilidad supone unas ventajas logísticas que convierten los AWES en una opción muy atractiva para casos como emergencias, militares y en general en sistemas aislados (off-grid) y/o remotos en los que pueden competir en la actualidad con éxito frente a soluciones tan optimizadas como la generación con grupos electrógenos.

7. Proporciona mayor escalabilidad
En la actualidad existen una gran cantidad de conceptos AWES que han sido demostrados en vuelo. Una vez se ha desarrollado el demostrador de concepto AWES, es bastante inmediato escalarlo desde unos pocos kW a varios MW.