Hay registros de turbinas eólicas de eje vertical que se remontan a la Persia del siglo IX o incluso a las tierras altas afganas del siglo VII antes de Cristo. Estas primeras VAWT eran dispositivos simples basados en la resistencia aerodinámica; un lado de la turbina estaba cubierto y el viento simplemente empujaba las palas del otro lado. La VAWT basada en la sustentación aerodinámica, mucho más eficaz, fue inventada por Georges Darrieus en Francia en la década de 1920, patentando tanto la VAWT de palas curvas «batidoras de huevos» (aquí llamada simplemente turbina Darrieus) como la VAWT de palas rectas (aquí llamada rotor H). Aunque el propio Darrieus construyó varios modelos a pequeña escala de palas curvas y rectas, las primeras VAWT de producción de energía, basadas en la elevación aerodinámica, fueron construidas por su compatriota francés Jean-Baptiste Morel, quien en la década de 1950 construyó en el sur de Francia varias turbinas Darrieus de palas rectas de hasta 7 kW.
Investigadores del Consejo Nacional de Investigación de Canadá (CNCR) reinventaron la VAWT a mediados de la década de 1960, aparentemente sin conocer los anteriores esfuerzos franceses, ya olvidados.
La investigación canadiense fue redescubierta en la década de 1970 por los Laboratorios Nacionales Sandia, que además de su misión principal de desarrollar armas nucleares, habían sido asignados por el Departamento de Energía de EE.UU. a la investigación de recursos energéticos alternativos.
Sandia construyó una turbina Darrieus de 60 kW cerca de Albuquerque, NM, en 1976, que en su momento se convirtió en la mayor VAWT jamás construida. Aunque Sandia estuvo en el centro del esfuerzo de desarrollo de las VAWT norteamericanas durante las décadas de 1970 y 1980, sólo construyeron una VAWT a escala de servicio público (por la que aquí entendemos ≥100 kW), una turbina Darrieus de 500 kW erigida en 1988 en Bushland, TX. Esta turbina experimental se caracterizaba por su velocidad variable, por su diseño sin puntales y por la posibilidad de modificar la mayoría de sus componentes con fines de investigación. La ausencia de puntales fue probablemente el principal factor para alcanzar un coeficiente de potencia (relación entre la producción de energía eléctrica y la entrada de energía eólica) de 0,43, que probablemente siga siendo un récord para las VAWT de tamaño comercial.
Esfuerzos de Darrieus en Norteamérica
Colaborando con el CNRC o Sandia, o utilizando su tecnología, varias empresas empezaron a intentar comercializar las VAWT de tipo Darrieus durante las décadas de 1970 y 1980.
En Canadá, el fabricante de aluminio DAF Indal se había convertido en el principal colaborador de las VAWT del CNRC y en 1977 batieron el récord de tamaño establecido por Sandia el año anterior con su turbina Darrieus de 230 kW, que se instaló en la isla de Magdalen, en el golfo de San Lorenzo, en Quebec, Canadá. Esta turbina también es famosa por demostrar que las VAWT pueden ser realmente autoarrancables. En 1978, los técnicos dejaron el rotor desacoplado del tren motriz durante la noche, pero los fuertes vientos que se produjeron durante la noche hicieron que el rotor entrara en sobrevelocidad, lo que provocó un fallo en los cables de sujeción y que el rotor acabara cayendo al suelo en forma de tirabuzón.
En 1983-84, DAF-Indal construyó tres turbinas de 500 kW, que básicamente eran versiones de mayor potencia de la turbina de 230 kW. Una de las turbinas, que se colocó en el paso de San Gorgonio, cerca de Palm Springs (California), se derrumbó durante una prueba de tensado previa a la puesta en marcha, y desgraciadamente se cobró la vida de un ingeniero que estaba encima cuando se cayó. Otra de las turbinas, situada en la isla del Príncipe Eduardo, también cayó al suelo tras un fallo de las aspas en 1985. A finales de los años 70, la empresa de aluminio ALCOA, con sede en Pittsburgh (Pensilvania), comenzó a desarrollar las VAWT en el marco de un acuerdo de transferencia de tecnología con Sandia. ALCOA construyó varias turbinas Darrieus de gran tamaño, incluidas tres máquinas de 500 kW, que en 1980 se convirtieron en las mayores VAWT construidas hasta entonces. Una de las turbinas de 500 kW, situada en el paso de San Gorgonio,
CA, se derrumbó justo antes de la Conferencia de la Comisión de Energía de California de 1981 en la adyacente Palm Springs. Un corte de energía provocó un exceso de velocidad en el rotor, y las palas se soltaron de su fijación inferior y cortaron los cables de sujeción antes de salir volando a una distancia de unos 300 m, y la turbina cayó al suelo. Naturalmente, la demostración prevista tuvo que ser cancelada pero, audazmente, se proyectó un vídeo del incidente durante la conferencia, recibiendo una gran ovación del público. Finalmente, ALCOA canceló su programa de VAWT, aunque parte del mismo se vendió a la recién creada VAWTPOWER Inc, que instaló 40 turbinas en el paso de San Gorgonio entre 1983 y 1984. Esta instalación, el primer parque de VAWT real, estuvo en funcionamiento a partir de 1988.
Cuando se habla de parques de VAWT, se piensa en FloWind. FloWind instaló más de 500 turbinas en el paso de Tehachapi, cerca de Los Ángeles, y en el paso de Altamont, en la zona de la bahía de San Francisco. Sus modelos de 170 kW y 200 kW se instalaron entre 1983 y 1986 y la capacidad total instalada ascendió a unos 95 MW. Cuando las últimas turbinas FloWind entraron en funcionamiento, en 2004, habían generado cerca de un total de 1 TWh de electricidad durante su vida útil. En 2010 se habían retirado todas las turbinas FloWind, aunque se pueden encontrar restos en forma de barrera de carretera en el paso de la cresta de una colina en el paso de Tehachapi.
En 1986, una FloWind-19 tuvo un fallo catastrófico que lanzó una pala contra un remolque de medición adyacente, destruyendo el ordenador del DOE/Sandia que había en su interior. Este fue el principio del fin, ya que esto ahuyentó a los inversores y FloWind quebró.
Al igual que los otros desarrolladores de turbinas Darrieus mencionados anteriormente, FloWind utilizaba palas de aluminio, que estaban diseñadas para flexionarse. Debido a la escasa capacidad del aluminio para soportar tensiones cíclicas, esto provocó fallos inducidos por la fatiga. Estos problemas hicieron que las turbinas de FloWind tuvieran más tiempo de inactividad que los aerogeneradores de eje horizontal que se estaban instalando en California al mismo tiempo. Tras una reorganización a principios de la década de 1990, se construyeron dos prototipos con palas de fibra de vidrio, pero esto resultó ser demasiado poco y demasiado tarde, y una de las turbinas con palas de fibra de vidrio se derrumbó durante los vientos fuertes.
Un diseño de turbina Darrieus algo inusual fue utilizado por la empresa canadiense Adecon, que empleó una estructura de celosía externa para sustituir los cables de sujeción. En 1984 construyeron una turbina de 17 m y 125 kW en la isla del Príncipe Eduardo. La turbina, cuyo rotor estaba situado a 17 m del suelo, sólo funcionó durante unas horas antes de sobrepasar la velocidad y destruirse.
Después de una reorganización, Adecon instaló diez turbinas de 150 kW cerca de Pincher Creek, Alberta. Estas turbinas carecían de la estructura de soporte del rotor, pero seguían utilizando mástiles de celosía en lugar de cables tensores. Los mástiles de celosía inducían resonancias que provocaban fallos en los componentes. Esto hizo que dos de las turbinas se derrumbaran y que la mayoría de las otras no estuvieran operativas la mayor parte del tiempo. En 2006 se habían retirado las diez turbinas.
Una mención obligada es la poderosa ÉOLE (nombre francés de Eolo, el soberano del viento en la mitología griega), terminada en 1987 y situada en Cap-Chat, en la orilla sur del río San Lorenzo, en Quebec. Con una altura total de 110 m, una masa giratoria de 880 toneladas métricas y una potencia nominal de 3,8 MW, ÉOLE batió todos los récords anteriores y sigue siendo, con diferencia, la mayor VAWT jamás construida.
Este monstruo de palas de acero y velocidad variable funcionó hasta 1993, cuando se rompió el cojinete inferior. Es un placer informar de que ÉOLE sigue en pie y realiza visitas guiadas durante el verano. La visita es muy recomendable: ÉOLE es una leyenda para los entusiastas de la energía eólica y la hermosa península de Gaspé es un gran lugar en general. Convenientemente, es posible realizar la visita guiada en inglés y, si se pagan unos dólares más, se puede subir a la plataforma superior de ÉOLE, desde donde la vista es espectacular.
Ha habido otras turbinas Darrieus a escala comercial, incluso algunas construidas en Europa durante la década de 1980. Pero los intentos serios son cada vez más raros. Los problemas de fatiga de las palas, la necesidad de un terreno plano para acomodar la fijación de los cables de sujeción y los inconvenientes de tener el rotor tan cerca del suelo fueron las razones por las que la «batidora de huevos» Darrieus no logró establecerse como competidora de las HAWT.
Mientras tanto, en Europa
En paralelo a los desarrollos de las Darrieus norteamericanas, también se investigaron las VAWT en Europa, pero aquí la atención se centró en el concepto de rotor en H, que tiene algunas ventajas en comparación con la turbina Darrieus convencional. Lo más importante es que suele colocarse sobre una torre independiente, lo que hace que el rotor sea más alto y hace innecesarios los cables de sujeción.
El proyecto europeo de VAWT más conocido y quizá el más ambicioso fue el realizado por la empresa británica VAWT Ltd durante las décadas de 1980 y 1990, que surgió de la investigación dirigida por Peter Musgrove en la Universidad de Reading (Reino Unido).
Al principio, el concepto de VAWT Ltd presentaba una geometría variable, que permitía plegar las palas para regular la potencia. Pero tras evaluar una turbina de geometría variable de 130 kW, instalada en 1986 en la bahía de Carmarthen (Gales), se consideró que la potencia podía controlarse igualmente con palas fijas y rectas. Por ello, el siguiente prototipo de 500 kW, montado en 1990, tenía palas rectas. Esta turbina sufrió varios fallos relacionados con la transmisión de la energía y, finalmente, un fallo devastador de una de las palas de fibra de vidrio. Poco después, se interrumpió la financiación gubernamental y el proyecto acabó por concluirse.
En la década de 1990, el inventor y empresario alemán Götz Heidelberg comenzó a desarrollar un concepto de rotor H de velocidad variable e imán PM en la empresa Heidelberg Motor GmbH, con sede en Múnich. En 1991, su primer prototipo a gran escala (300 kW) se instaló en Kaiser-Wilhelm-Koog, en la costa alemana del Mar del Norte. Utilizaba un generador montado en el suelo y se sostenía con cables de sujeción conectados a un cojinete superior que permitía que toda la torre girara (como una turbina Darrieus). Después de abandonar el generador en tierra, se desarrollaron cinco nuevos prototipos de 300 kW que tenían el gran generador de anillo multipolar colocado en la parte superior de una torre con trípode. Después de que un problema de soldadura hiciera que una turbina se destruyera a principios de 1995, las otras máquinas dejaron de funcionar y fueron finalmente desmanteladas en 1997. Esto también condujo al abandono de un desarrollo financiado por la UE de una versión de 1,2 MW del concepto y ese fue también el final de este esfuerzo de VAWT.
Digno de mención es que Heidelberg instaló su versión más pequeña, de 20 kW, para entornos extremos en una instalación de investigación alemana en la Antártida que, según se informa, funcionó durante 15 años antes de ser desmantelada en 2008.
Esfuerzos continuos
Si ni siquiera la ingeniería alemana pudo hacer que las VAWT se mantuvieran unidas, uno podría haber adivinado que el concepto seguramente debió ser abandonado después de mediados de la década de 1990. Pues bien, no fue así, aunque hubo que esperar hasta 2010 para que se construyera el siguiente prototipo de rotor H a escala comercial, esta vez por parte de la empresa sueca Vertical Wind AB.
En 2010, erigieron un prototipo de 200 kW, de accionamiento directo y velocidad variable, cerca de Falkenberg, en la costa occidental sueca. La turbina, que contaba con una torre de madera laminada y un generador PM multipolar de accionamiento directo de fabricación propia, se ha utilizado principalmente para realizar mediciones, pero sigue funcionando, aunque con una velocidad de viento limitada. Vertical Wind detuvo su desarrollo tras perder a un inversor clave en 2010, pero sigue fabricando generadores.
Al igual que los programas DAF Indal y ALCOA VAWT de los años 70/80, que eran iniciativas de productores de aluminio, la empresa polaca de VAWT Anew Institute, activa en la actualidad, es una filial del fabricante de acero Stalprodukt SA. Anew erigió un prototipo de 200 kW en 2015 y, sobre todo, un prototipo de 1,5 MW en 2017, que solo es superado por ÉOLE, la mayor VAWT de la historia, en términos de capacidad instalada. No es de extrañar que se utilice tanto acero como sea posible en la construcción, pero afortunadamente al menos las palas son de fibra de vidrio.
¿Qué pasa con las VAWT flotantes?
Los aerogeneradores flotantes han sido identificados (por ejemplo por la asociación comercial WindEurope) como una tecnología clave para la expansión de la energía eólica marina. El bajo centro de masa de las VAWT se combina bien con una plataforma flotante y esto ha provocado un resurgimiento del interés en el concepto, con una serie de proyectos de VAWT flotantes iniciados durante la década de 2010.
MODEC, una empresa japonesa especializada en plataformas flotantes para la industria del petróleo y el gas, por ejemplo, desarrolló un sistema híbrido de generación de energía eólica y mareomotriz flotante llamado skwid (Savonius Keel and Wind Turbine Darrieus). El concepto consistía en un rotor H sobre la superficie y una turbina Savonius que recogía las corrientes por debajo. Sin embargo, su prototipo de 500 kW se hundió dos veces mientras se ponía en marcha en 2013/14 y MODEC abandonó sus ambiciones de VAWT.
Otro intento de comercializar VAWT flotantes fue realizado por la empresa francesa NENUPHAR, que pretendía desarrollar una plataforma flotante en alta mar de varios MW y dos turbinas.
Nunca se desplegó ningún VAWT flotante de gran tamaño, pero NENUPHAR instaló un prototipo en tierra de 600 kW en Fos-sur-Mer, en la costa mediterránea francesa, en 2014, para el que se probaron diferentes configuraciones de palas. Sin embargo, en 2018, NENUPHAR entró en liquidación tras ser abandonada por un socio industrial.
Se podrían mencionar varios otros esfuerzos de desarrollo de VAWT flotantes que aspiran a desplegar pronto grandes prototipos. Pero esta breve retrospectiva se limita a los proyectos que, independientemente del resultado final, incluyeron la construcción real de turbinas de eje vertical a escala comercial. Así que estos proyectos «de papel» se omiten aquí, pero podrían ser objeto de un futuro informe.
El nicho flotante reaviva el interés
En resumen, de estar casi extinguido, el concepto de aerogenerador de eje vertical ha gozado de un renovado interés en los últimos años, especialmente para las plataformas flotantes en alta mar. Competir con el concepto de eje horizontal, cada vez más desarrollado tecnológicamente desde que superó a los VAWT como estándar de turbina eólica en la década de 1980, es cada vez más difícil, pero el nicho de mercado flotante podría ser la oportunidad que los aerogeneradores de eje vertical estaban esperando.
Información del autor: Erik Möllerström The Rydberg Laboratory for Applied Sciences, Halmstad University, PO Box 823, SE-301 18 Halmstad, Sweden ()
Para más detalles de las VAWTs mencionadas, así como de otros proyectos de VAWTs más pequeños no cubiertos aquí, el siguiente documento está disponible en acceso abierto: Möllerström E, Gipe P, Beurskens J, Ottermo F, ‘A historical review of installed vertical axis wind turbines rated 100 kW and above’, Renewable & Sustainable Energy Reviews, Vol 105 (2019).