El problema de diseño del layout de los parques eólicos constituye un buen ejemplo de cómo la analítica prescriptiva permite sacar el máximo partido a las iniciativas de transición ecológica.
La apertura de nuevos parques y la instalación de aerogeneradores de mayor capacidad, han convertido la energía eólica en la tecnología con mayor potencia instalada a nivel nacional. En paralelo al desarrollo de estas máquinas, también se han estudiado los diferentes aspectos del proceso de diseño de los parques eólicos, con el objetivo de que la generación eléctrica real de estas instalaciones durante su explotación diste lo menos posible de su valor nominal.
De entre todas las decisiones de diseño, la optimización del layout de las granjas eólicas consiste encontrar la ubicación óptima de todos los aerogeneradores en el parque para que se maximice su rendimiento total.
El efecto de las estelas de viento
Los aerogeneradores suelen agruparse en granjas eólicas para aprovechar las economías de escala, como, por ejemplo, los menores costes de instalación y mantenimiento. Sin embargo, la agrupación de las turbinas cercanas unas a otras conlleva una reducción en su potencia, motivada por la generación de las estelas de viento.
Al pasar, el viento provoca el movimiento de las palas de los aerogeneradores y las turbinas lo transforman en energía eléctrica. No obstante, esto también genera turbulencias en forma de estela, que se propagan en la dirección del viento y afectan a otros aerogeneradores, reduciendo su rendimiento. Los efectos de las estelas constituyen una considerable pérdida de potencia durante la etapa de explotación, por lo que es imprescindible anticiparse en la fase de diseño.
Por simplicidad, los parques eólicos se han diseñado tradicionalmente con el layout en cuadrícula, colocando los aerogeneradores en filas separadas por una distancia suficientemente grande para reducir los efectos de las estelas. Sin embargo, diseños con distribuciones irregulares han demostrado reducir las pérdidas de las estelas y obtener una mayor producción de energía, aunque estos layouts no son tan sencillos de obtener.
El proceso de diseño
Actualmente, diseñar estos parques requiere de la colaboración de múltiples equipos, que analizan e incorporan numerosos factores en su toma de decisiones. Los factores más importantes son:
- Mediciones y estimaciones de las condiciones del viento.
- Características técnicas de los aerogeneradores.
- La topografía del terreno o del fondo marino (según se trate de parques onshore u offshore) y las restricciones civiles o medioambientales que condicionen la disponibilidad la superficie.
- La conexión a la red y las necesidades de la infraestructura eléctrica.
- El modelado de las estelas y el cálculo de las pérdidas energéticas.
Generalmente, el layout se elabora a partir de los recursos disponibles del viento, ubicando los aerogeneradores donde se maximiza el potencial de generación eléctrica. Posteriormente, esta solución debe ser revisada manualmente para garantizar que se cumplen todas las restricciones.
El resto de equipos que participan en el proyecto, como aquellos responsables del diseño del sistema eléctrico o la obra civil del parque, pueden proponer modificaciones a la solución alcanzada si ésta no resulta viable o eficiente. Por ejemplo, en los parques onshore, las mejores condiciones de viento aparecen donde el terreno es más elevado y el viento se encuentra menos obstáculos. El equipo de diseño, inicialmente, puede proponer situar los aerogeneradores en estas ubicaciones. No obstante, al considerar la obra civil y el acceso de los vehículos para la misma, pueden requerirse iteraciones sobre la solución, que obligan a reducir el potencial de generación en ubicaciones más accesibles o menos escarpadas.
Aplicación de la analítica prescriptiva
Ante esta oportunidad, diferentes técnicas de analítica prescriptiva, como la optimización matemática o los algoritmos metaheurísticos, se han aplicado a este problema con dos enfoques diferentes:
- Maximizar la generación eléctrica a partir de un número conocido de aerogeneradores. En este caso, la potencia del parque ya ha sido fijada, por lo que el objetivo es determinar la ubicación óptima de todos los aerogeneradores y minimizar sus interferencias.
- Un paso más allá es plantear este problema para maximizar el retorno de la inversión. Es decir, introducir en la herramienta de decisión los costes de instalación y de operación del parque, de manera que la solución propuesta tenga en cuenta la inversión necesaria por aerogenerador que se podía instalar y, con su ubicación, su generación esperada.
Asimismo, los principales retos a los que se enfrentan estas técnicas son:
- El modelado del efecto de las estelas, que implica complejas fórmulas no lineales.
- La dimensión del problema que, especialmente para los parques offshore, puede dar lugar a espacios de soluciones muy grandes y, por ello, tiempos de resolución elevados.
Desde que se han empezado a utilizar, estas técnicas han demostrado obtener buenos resultados. Además, el proceso es mucho más ágil que cuando se realiza manualmente, ya sea al generar el layout de parques por construir o al comparar la solución con la configuración de parques ya existentes.
La inversión que requieren las granjas eólicas es elevada y las pérdidas derivadas de las estelas pueden llegar a suponer el 10-15% de la producción energética. Las soluciones alcanzadas con estas herramientas pueden, sobre el mapa, constituir una gran diferencia respecto al layout generado manualmente. No obstante, lo importante son las diferencias alcanzadas, en consecuencia, en la eficiencia del parque. Éstas, por pequeñas que sean, tienen un gran impacto y pueden traducirse en millones de euros.
Otras decisiones del proceso de diseño
Finalmente, y aunque las pérdidas más notables se produzcan por el efecto de las estelas, las pérdidas energéticas de la instalación eléctrica no son despreciables. Tras obtener el layout de los aerogeneradores, es necesario diseñar las conexiones del cableado entre ellos y la red eléctrica.
El dimensionamiento y diseño de la red de cables es también una decisión que se puede abordar con analítica prescriptiva, con el objetivo de minimizar el coste de instalación y las pérdidas eléctricas durante la operación en el parque.
De forma similar, se puede afrontar la decisión de diseñar los trazados internos en los parques onshore. Este problema conlleva diseñar el layout de la red de caminos que han de construirse entre los aerogeneradores para su instalación y mantenimiento, cumpliendo con las restricciones civiles y minimizando los costes totales de la obra.
La investigación operativa dispone de una gran variedad de técnicas que pueden ser aplicadas en los casos mencionados en este artículo. Para todas estas decisiones, se pueden construir modelos matemáticos que representen la realidad y complejidad de estos problemas. Con los datos empleados para diseñar los parques eólicos a día de hoy, las soluciones de estos modelos serán mejores y se alcanzarán más rápido que aquellas obtenidas cuando distintos equipos trabajan por separado y manualmente.
