¿Podrían cometas de alto vuelo suministrar la energía de su hogar?

Cualquier niño que haya volado alguna vez una cometa ha aprendido la lección: una vez que consigues despegar el papalote del suelo y elevarlo en el aire, es más probable encontrar una brisa constante que lo mantenga en el aire.

Una incipiente industria de la energía eólica se está tomando a pecho esa lección. Volando enormes cometas a 200 metros o más del suelo, las empresas están utilizando el viento que encuentran allí para generar electricidad.

Al menos 10 empresas de Europa y Estados Unidos están desarrollando variaciones de este tipo de energía a partir de cometas. Si tienen éxito, las cometas podrían hacer posible la construcción de parques eólicos en terrenos que no son lo suficientemente ventosos para las torres de turbinas eólicas convencionales. Las cometas también podrían ser una mejor opción para la energía eólica marina, y un día podrían incluso sustituir al menos algunas torres ancladas que se utilizan actualmente.

“Es más barata de fabricar, más barata de transportar y también tiene una mayor eficiencia”, afirma Florian Bauer, codirector general y jefe de tecnología de Kitekraft, una empresa con sede en Múnich que está desarrollando un sistema de energía de cometas. La huella de carbono también es mucho menor, afirma. “Si tiene todas esas ventajas, ¿por qué iría a construir alguien una turbina eólica convencional?”.

Pero para convertirse en una fuente de electricidad generalizada, la energía eólica de gran altitud, como también se la denomina, debe superar una serie de obstáculos tecnológicos y comerciales, como describen Bauer y sus colegas en un artículo en la revista Annual Review of Control, Robotics and Autonomous Systems de 2022. Y tendrá que demostrar que es segura, que no dañará a la fauna y que no creará ruidos y molestias visuales intolerables para los vecinos.

Por ahora, la energía de las cometas está en sus inicios. La mayoría de las empresas están trabajando en proyectos piloto relativamente pequeños, y ninguna ha ampliado su tecnología hasta el rango de megavatios que las haría comparables a las turbinas eólicas convencionales. Pero ya hay versiones pequeñas en el mercado.

En 2021, SkySails Power, con sede en Hamburgo, se convirtió en la primera empresa en ofrecer un producto comercial. Su modelo consiste en una cometa suave y dirigible de hasta 180 metros cuadrados de superficie. La cometa está unida por una cuerda de 800 metros a una estación en tierra dentro de un contenedor.

En funcionamiento, la cometa hace grandes y elegantes ochos en el cielo y alimenta un generador en tierra capaz de producir una media de 80 kilovatios —suficiente para suministrar electricidad a unos 60 hogares estadounidenses promedio—. Eso es pequeño comparado con una típica turbina eólica de 2,75 megavatios, pero es similar en escala a muchos generadores industriales de diésel portátiles. La unidad está diseñada para su uso en lugares remotos alejados de la red eléctrica.

Eventualmente, las empresas quieren construir cometas más grandes capaces de generar megavatios de energía. Imaginan cientos de cometas agrupadas en parques eólicos, proporcionando electricidad a la red.

Aprovechar los vientos rápidos

El viento cerca del suelo tiende a ser frenado por la fricción con los árboles, los edificios, las colinas y el propio suelo. Por eso, cuanto más alto esté, más rápido puede viajar el viento —a 500 metros, la brisa se mueve entre 3 y 7 kilómetros por hora más rápido, en promedio, que a 100 metros—. En las últimas décadas, ha habido una serie de propuestas para aprovechar estos vientos más rápidos y elevados, incluyendo el envío de turbinas en naves más ligeras que el aire, o suspendiéndolas de cometas estacionarias. Pero la mayoría de las empresas, como SkySails, persiguen un enfoque que hace uso de cometas dirigibles y controladas por computadoras que vuelan patrones en el aire para cosechar más energía.

Los sistemas de energía eólica en el aire utilizan dos formas básicas de generar electricidad. Los enfoques basados en tierra, como SkySails, utilizan la “energía de bombeo” para hacer funcionar un generador en tierra. El extremo de la cuerda de sujeción en tierra se enrolla alrededor de un torno, y a medida que la cometa vuela a través del viento, tira de la cuerda de sujeción y desenrolla el torno, impulsando un generador que produce electricidad. Luego se deja flotar la cometa mientras se vuelve a enrollar, y el ciclo vuelve a empezar.

El otro enfoque consiste en generar la electricidad a bordo de la cometa. La generación a bordo utiliza una cometa rígida, similar al ala de un avión, que soporta pequeñas turbinas eólicas. Cuando la cometa vuela, el viento hace funcionar las turbinas y la electricidad generada por la embarcación se envía por el cable a la estación en tierra.

Kitekraft, la empresa de Bauer, utiliza el método de generar electricidad a bordo, lo que le permite hacer un doble uso de las aspas de la turbina. Durante el despegue y el aterrizaje, las aspas son impulsadas por un motor y se convierten en hélices que permiten a la cometa volar y planear como un dron aéreo. Una vez que la cometa está a la altura adecuada, las turbinas pasan a generar energía del viento.

Las cometas ofrecen una ventaja potencial sobre las torres eólicas actuales en cuanto al material utilizado. Las torres de aerogeneradores requieren cimientos de hormigón y estructuras de acero solo para mantener las turbinas a la altura adecuada. En los sistemas basados en cometas, las estructuras se sustituyen por una estación terrestre relativamente pequeña y un anclaje ligero. Un estudio de Airborne Wind Europe, una asociación comercial, descubrió que un parque de cometas de 50 megavatios utilizaría 913 toneladas métricas de material a lo largo de una vida útil de 20 años, en comparación con las 2.868 toneladas métricas de un parque típico de torres eólicas. Utilizar menos material podría hacer que los sistemas basados en cometas sean más ecológicos y más baratos de construir.

Las cometas también pueden resultar útiles para la generación de energía eólica en aguas profundas. En la actualidad, cuando el agua es demasiado profunda para construir una base, las turbinas eólicas flotan sobre enormes estructuras tipo barcaza que deben ser capaces de soportar el peso de las turbinas y mantenerlas estables. Como las cometas son menos masivas, podrían utilizar barcazas más ligeras y baratas.

Pero estas ventajas vienen con el costo de la complejidad. Para que las cometas tengan sentido desde el punto de vista económico, deben funcionar durante largos periodos y con poca o ninguna supervisión humana. Eso plantea un difícil problema de control informático, dice Chris Vermillion, director del Laboratorio de Control y Optimización para las Energías Renovables y la Eficiencia Energética de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y asesor de Windlift, una empresa de tecnología de cometas.

Las cometas no se limitan a flotar pasivamente en el aire. En lugar de ello, utilizan la aerodinámica de la cometa para volar con patrones de “viento cruzado”, un poco como un barco virando de un lado a otro a través del viento. Al volar perpendicularmente a la dirección del viento, sus alas generan sustentación y tiran aún más fuerte contra la cuerda que la sujeta. Esta elevación adicional se traduce en una velocidad extra, que puede tirar del amarre con más fuerza para la generación en tierra o convertirse en una mayor velocidad del aire para impulsar más rápidamente las turbinas a bordo. De cualquier forma, la potencia disponible aumenta al menos en un orden de magnitud en comparación con el vuelo sin el movimiento de viento cruzado.

Pero estas maniobras tan complicadas requieren un ajuste y control constantes de las cometas, ya sea por parte de un piloto o de una computadora. Las cometas rígidas se controlan ajustando los componentes de dirección, como los alerones y los timones, de la misma manera que se vuelan los aviones. Las cometas blandas se controlan ajustando las longitudes de las líneas o cuerdas, de forma similar a como se guía un paracaídas.

Los sistemas de cometas más avanzados de hoy en día son capaces de volar bajo control informático durante horas o días seguidos, utilizando computadoras a bordo y en tierra para realizar correcciones constantes en la dirección. Suelen funcionar muy bien mientras el viento se mantiene estable, dice Vermillion.

Pero para que se conviertan en una tendencia, las cometas tendrán que ser capaces de enfrentarse de forma fiable a los cambios repentinos e imprevisibles, como las fuertes ráfagas de viento. También tendrán que ser capaces de despegar y aterrizar automáticamente, de modo que puedan bajar durante el mal tiempo y subir cuando el viento sea el adecuado.

“Hay que trabajar más para llevar la tecnología a un nivel en el que la vida útil de los dispositivos sea del orden de años y décadas, frente a las demostraciones que duran días y semanas”, dice Vermillion.

También está el problema de la escala. Las cometas más pequeñas son más baratas de fabricar y más fáciles de desarrollar. Pero como el peso y la resistencia del cable aumentan con la altura, las cometas pequeñas no funcionan tan bien a 300 metros o más, donde el viento suele ser más fuerte. Las empresas quieren escalar a cometas más grandes y eficientes que puedan volar más alto y producir megavatios de energía. Pero eso conlleva gastos y riesgos.

Aumentar la escala —y fallar en el intento—

El destino de una empresa llamada Makani es un cuento con moraleja. La empresa, con sede en California, contaba con el respaldo de la empresa matriz de Google, Alphabet, y estaba trabajando para generar energía a escala de megavatios. Pero en 2020, Alphabet retiró la financiación y la empresa cerró.

Makani fue pionera en la tecnología, pero se enfrentó a una serie de problemas, como la dificultad para controlar las cometas y varios accidentes. En un informe público, el director general de Makani, Fort Felker, dijo que la empresa se precipitó intencionadamente, aumentando el tamaño de sus cometas en grandes pasos, a menudo sin resolver los problemas tecnológicos anteriores.

Bauer dice que al escalar tan rápidamente sin resolver los desafíos técnicos que se presentaban en el camino, la compañía terminó con un diseño que era demasiado difícil y costoso de modificar. Por otro lado, es comprensivo. Las empresas que tardan demasiado en alcanzar un tamaño comercializable pueden perder el apoyo de sus inversores.

Un último obstáculo será garantizar que la tecnología tenga unos costos sociales y medioambientales aceptables. Los parques eólicos convencionales suelen enfrentarse a la oposición de los residentes cercanos, preocupados por el ruido, la distracción visual y la estética de las turbinas eólicas. Los defensores de los parques eólicos de cometas esperan que tengan menos impacto visual y acústico que las torres eólicas convencionales. Pero según un análisis de estudios publicados, no hay pruebas empíricas de que eso sea cierto. Aunque las cometas son menos masivas que las torres, sus movimientos abatidos y el ruido que producen podrían seguir causando tanta o más perturbación que las torres convencionales, según los autores.

Tampoco está claro qué impacto tendrán las cometas en las aves, según el informe. Una vez más, los defensores piensan que probablemente serán más seguras para las aves que las turbinas eólicas, ya que las cometas vuelan más alto de lo que suelen hacerlo las aves. Sin embargo, los amarres o cables de sujeción de las cometas se mueven rápidamente y son difíciles de ver, por lo que las aves podrían tener dificultades para evitarlos.

Aún no está claro hasta qué punto se extenderá el uso de la energía eólica basada en cometas. Defensores como Bauer confían en poder resolver los problemas de ingeniería y computación para que las cometas sean rentables.

Pero un informe del Departamento de Energía de EE.UU. de 2021 dirigido al Congreso lanzó una nota de advertencia, calificando la energía de las cometas como ”una tecnología inmadura y no probada que requiere un desarrollo adicional significativo antes de que pueda desplegarse a escalas significativas a nivel nacional”. El costo de la electricidad creada por las turbinas eólicas convencionales también ha seguido bajando, lo que hace mucho más difícil que los sistemas de energía de cometas demuestren que tienen una ventaja, según el informe.

“No veo los sistemas de energía eólica aérea como un sustituto de la mayoría de las turbinas convencionales existentes que se instalan en tierra”, coincide Vermillion. Pero sí cree que encontrarán un nicho en la próxima década para usos militares y fuera de la red, aplicaciones potenciales que la empresa con la que consulta menciona entre sus objetivos para la energía de las cometas. Y cree que en algún momento podrían ser la tecnología preferida para los parques eólicos en aguas profundas, donde su peso ligero les dará una gran ventaja sobre las turbinas de torre.

Artículo traducido por Debbie Ponchner