Turbinas eólicas sin palas: El futuro de la energía limpia

Los investigadores de la Universidad de Glasgow están explorando activamente formas de aumentar la potencia de las turbinas eólicas sin palas (BWTs). Para ello, proporcionan perspectivas derivadas de simulaciones por computadora¹ de estas turbinas, identificando los diseños más eficientes para modelos futuros.

Los investigadores dijeron:

“Los hallazgos podrían ayudar a la industria de las energías renovables a llevar las BWT, que aún se encuentran en una etapa temprana de investigación y desarrollo, desde experimentos de campo a pequeña escala a formas prácticas de generación de energía para las redes eléctricas nacionales.”

Las turbinas eólicas sin palas son una forma en desarrollo de generación de energía eólica que está siendo investigada principalmente por los investigadores. Sin embargo, están capturando rápidamente la atención, con su mercado creciendo igualmente rápido.

En 2022, el tamaño del mercado global de turbinas eólicas sin palas se valoró en aproximadamente $60.5 mil millones y se proyecta que superará los $116 mil millones para 2030, impulsado por la creciente demanda de energía renovable en todo el mundo.

A diferencia de las turbinas eólicas convencionales, las turbinas eólicas sin palas (BWTs) son más silenciosas y ocupan menos espacio. También se adaptan más rápidamente a los cambios en la dirección del viento, lo que las hace muy útiles en entornos urbanos con vientos turbulentos.

Otra gran ventaja de las BWT es que reducen el impacto ambiental, especialmente en cuanto a la vida silvestre. Para las aves, las turbinas con palas aumentan el riesgo de colisiones, ya que las palas en movimiento rápido pueden parecer un borro o ser invisibles por completo. Las turbinas sin palas se mueven significativamente menos, lo que permite a los animales, como las aves, evitarlas más fácilmente.

El bajo peso y el bajo centro de gravedad de las BWT, mientras tanto, reducen la necesidad de cimentación, lo que simplifica la instalación de las turbinas sin palas.

El diseño más simple de estas turbinas también requiere menos mantenimiento que las turbinas normales, lo que aumenta su vida útil.

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¿Qué son las turbinas eólicas sin palas y cómo funcionan?

Derivadas de recursos naturales que se renuevan, la energía renovable es clave para transitar hacia sistemas de energía menos intensivos en carbono y más sostenibles.

Las fuentes de energía renovable incluyen viento, sol, lluvia, olas, mareas, energía térmica y biomasa. Estos recursos son fundamentales no solo para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles, sino también para mitigar el cambio climático.

Entre las fuentes de energía renovable, la energía eólica es una fuente en crecimiento rápido. En 2024, las energías renovables y la energía nuclear juntas proporcionaron casi el 41% de la generación de electricidad del mundo. Entre las renovables, la energía solar tuvo la mayor contribución, seguida de la generación de energía eólica, que creció al 8.1% de la electricidad global.

Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), la energía solar fotovoltaica y la energía eólica se prevé que representen el 95% de todas las adiciones de capacidad renovable hasta 2030.

Para aprovechar la energía eólica, se utilizan comúnmente turbinas eólicas, que convierten la energía mecánica del viento en energía eléctrica. Sin embargo, una forma alternativa de utilizar la energía eólica es a través de diseños de captura de energía basados en la vibración aeroelástica de estructuras flexibles.

En las últimas décadas, la captura de energía aeroelástica ha ganado mucha atención, con un enfoque particular en la vibración inducida por vórtices (VIV) de cuerpos romos que son cilíndricos en forma. La tecnología VIV ha capturado un interés sustancial, lo que ha llevado a various modelos numéricos y experimentos de investigación.

La vibración inducida por vórtices se debe a la eyección alterna de vórtices de ambos lados de los cuerpos romos. Esto conduce a fuerzas de sustentación y resistencia regulares, así como a oscilaciones transversales grandes en las estructuras.

Cuando la frecuencia de eyección de vórtices coincide con la frecuencia natural de la estructura, se produce un movimiento inestable y oscilaciones de amplitud muy grande. Este comportamiento es bien conocido como el fenómeno de bloqueo.

Un concepto innovador para aprovechar la energía eólica aprovechando las oscilaciones de gran amplitud de las estructuras en presencia de VIV y bloqueo es la turbinas eólicas sin palas (BWT).

Una BWT se comporta efectivamente como un cuerpo romo que se coloca en un flujo de fluido que crea vórtices al iniciar la separación de flujo desde su superficie. De esta manera, la BWT muestra un gran potencial para la producción de energía dentro de un rango específico de velocidades del viento. Como tal, diseñar turbinas sin palas con una magnitud de oscilación más fuerte puede aumentar su producción de energía, así como el rango de velocidad del viento operativa al mismo tiempo.

Dado el potencial de las BWT para extraer energía renovable, se están realizando esfuerzos para aprovechar la VIV para la generación de electricidad a pequeña escala, desde 1 a 100 W.

Se han realizado estudios para evaluar la relación entre la producción de energía de la BWT y variables de diseño como la longitud del mástil, el peso y la velocidad del viento. Además, la investigación está explorando el rango de velocidad del viento operativa de las BWT a través de un sistema de sintonización. Pero todavía no hemos obtenido claridad sobre la eficiencia de las turbinas eólicas sin palas.

Dado que el viento no es un recurso finito, es importante determinar si la máxima eficiencia produce la máxima producción de energía de la BWT.

Sin embargo, no se sabe si la potencia de salida se puede aumentar para una potencia de entrada de viento constante. Además, hay una escasez de modelado de interacción fluido-estructura de turbinas eólicas sin palas, que se puede utilizar fácilmente para explorar los parámetros de estas turbinas y obtener respuestas sobre su eficiencia.

Por lo tanto, el estudio más reciente de los investigadores de la Universidad de Glasgow tiene como objetivo ayudar a acelerar las iniciativas en curso para ampliar los modelos de BWT existentes, que actualmente son de pequeña escala, para aplicaciones de mayor escala en sitios offshore.

Esta investigación aborda preguntas sobre la eficiencia y la producción de energía de las turbinas eólicas sin palas al desarrollar un modelo numérico simple para examinar el mecanismo físico de las VIV debido a las BWT. Los investigadores han proporcionado un marco analítico integral, que aborda el desafío crítico de optimizar las BWT para la extracción máxima de energía mientras se mantiene la integridad estructural.

¿Pueden las turbinas eólicas sin palas competir con las tradicionales?

Las turbinas eólicas convencionales con palas han sido una forma popular de convertir el viento en electricidad durante mucho tiempo. Estas turbinas convierten directamente la energía cinética del viento en movimiento rotativo de las palas, que luego alimenta un generador para producir electricidad.

Las turbinas eólicas sin palas, o BWT, funcionan según un principio diferente al de las turbinas con palas. El principio fundamental aquí es la VIV, y en lugar de palas, estas turbinas utilizan mástiles cilíndricos altos y delgados que vibran o se balancean en la brisa.

Para construir turbinas eólicas sin palas (BWT) con la máxima eficiencia, el equipo de investigadores de la Universidad de Glasgow realizó simulaciones de diseños de BWT en el rango de miles.

Esto les permitió encontrar el punto óptimo que maximiza la generación de energía sin afectar negativamente la resistencia de la estructura. Según el Dr. Wrik Mallik, de la Escuela de Ingeniería James Watt:

“Lo que este estudio muestra por primera vez es que, contraintuitivamente, la estructura con la mayor eficiencia para extraer energía no es en realidad la estructura que produce la mayor potencia de salida. En su lugar, hemos identificado el punto óptimo ideal entre las variables de diseño para maximizar la capacidad de las BWT para generar energía mientras se mantiene su resistencia estructural.”

Los hallazgos del estudio proporcionan información sobre cómo las dimensiones del mástil, incluido el ancho y la altura, influyen no solo en la cantidad de energía producida, sino también en la integridad estructural de estas turbinas.

Esto reveló un compromiso que no se conocía anteriormente, que es que mientras que el aumento del diámetro del mástil mejora la eficiencia y la extracción de energía, la eficiencia máxima del 6% y la potencia máxima de 600 vatios se logran a través de configuraciones geométricas distintas.

Sin embargo, las configuraciones que se optimizan solo para la producción de energía tienden a superar los límites de seguridad estructural, mientras que las que maximizan la eficiencia proporcionan una generación de energía subóptima.

Así que, el diseño ideal es un mástil de 31,4 pulgadas o 80 centímetros de diámetro, con un diámetro de 25,4 pulgadas o 65 centímetros, según los hallazgos del estudio publicados en Energía Renovable.

Un equilibrio óptimo de potencia y resistencia es capaz de entregar de manera segura una impresionante potencia de 460 vatios, un rendimiento mejor que el de los prototipos actuales que alcanzan alrededor de 100 vatios.

“En el futuro, las BWT podrían desempeñar un papel invaluable en la generación de energía eólica en entornos urbanos, donde las turbinas eólicas convencionales son menos útiles.”

– Dr. Malik

Los hallazgos del estudio pueden desempeñar un papel importante para garantizar la seguridad de la estructura en vientos en el rango de 20 a 70 millas por hora (mph). Según los investigadores, su metodología podría permitir la ampliación de las turbinas eólicas sin palas para generar 1.000 vatios (1 kilovatio) o más.

Con esta investigación, la idea es alentar a la industria a desarrollar nuevos prototipos de turbinas eólicas sin palas (BWT) demostrando claramente el diseño más eficiente para las BWT.

“Eliminar parte del trabajo de adivinanza involucrado en refinar los prototipos podría ayudar a acercar las BWT a convertirse en una parte más útil de la caja de herramientas del mundo para lograr cero emisiones netas a través de las energías renovables.”

– Profesor Sondipon Adhikari, Escuela de Ingeniería James Watt

Según Adhikari, los ingenieros planean seguir perfeccionando su comprensión del diseño de las BWT y cómo pueden ampliar la tecnología para proporcionar energía en una amplia gama de aplicaciones.

También están “ansiosos” por explorar materiales especiales llamados metamateriales, que se ajustan finamente para dotarlos de propiedades que no se encuentran en la naturaleza, en cuanto a cómo pueden “mejorar la eficacia de las BWT en el futuro”.

Nuevos diseños y materiales para BWT de próxima generación

En otro estudio², este realizado por investigadores de la Universidad de Alejandría a principios de este año, se introdujeron dos nuevos mecanismos para diseñar BWT para abordar las limitaciones operativas de las turbinas eólicas sin palas, que se crean por el fenómeno de bloqueo, limitándolas a un rango pequeño cerca de la frecuencia natural de la estructura.

Los mecanismos introducidos fueron el mecanismo de masa de sintonización y el mecanismo de sintonización elástica, que permiten operar en un amplio rango de velocidad del viento desde 2 a 10 m/s.

Los hallazgos del estudio también revelan que la utilización de la masa equivalente de la unidad del mástil y el momento de inercia polar en el extremo libre de la viga en voladizo es importante para diseñar la turbina y garantizar que cumpla con las condiciones de bloqueo.

El objetivo del estudio es mantener el rendimiento óptimo controlando la frecuencia natural de la turbina a través de la implementación de los mecanismos.

También se construyó un modelo matemático para ajustar la frecuencia natural para que coincida con la frecuencia de eyección a la velocidad del viento especificada. La validación del modelo mostró una alta precisión.

El primer mecanismo puede lograr un aumento del 99,2% en la eficiencia mecánica a 7 m/s, pero para obtener valores de módulo de flexión o de flexión más altos, el segundo mecanismo debe incorporarse para reducir el tamaño general de la turbina. El enfoque unificado mejora la eficiencia en un 55,7%.

Además de los mecanismos de sintonización, la elección de materiales adecuados para los componentes flexibles de la turbina es crucial, según el estudio, para garantizar la resistencia y el rendimiento adecuados, ya que afectan la rigidez general de la estructura. Esto, a su vez, afecta la frecuencia natural de la estructura, lo que a su vez afecta el rendimiento general de la BWT.

El estudio informó que las fibras de carbono y las fibras de vidrio son los mejores materiales para fabricar los componentes principales de las BWT.

Las propiedades mecánicas de los materiales compuestos, según el estudio, se pueden controlar cambiando los parámetros de fabricación, como el número de capas y su orientación, lo que permite personalizar la resistencia, la rigidez y otras características para satisfacer requisitos específicos para diferentes aplicaciones.

Aunque todavía se encuentra en una etapa muy temprana de desarrollo y limitada a entornos experimentales y de laboratorio, la tecnología también ha comenzado a mostrar signos de aplicación en el mundo real.

A fines del año pasado, el Grupo BMW comenzó pruebas para la unidad de energía eólica sin palas. El fabricante de automóviles alemán instaló la unidad de energía eólica sin palas de Aeromine Technologies en su planta de fabricación de MINI en Oxford.

Esta fábrica actuará como un sitio de prueba para la tecnología, que involucra la evaluación del potencial de la unidad para mejorar la eficiencia energética en los sitios de la empresa en todo el mundo y los complejos comerciales en el Reino Unido.

La unidad de energía eólica de Aeromine se instala en el borde de un edificio, dirigida hacia el viento. Las alas verticales de la unidad, que son como alas, crean un efecto de vacío, extrayendo el aire detrás de un propulsor interno para generar electricidad limpia y verde.

“Nuestra tecnología de energía eólica ‘sin movimiento’ está diseñada para funcionar sin problemas junto con los sistemas solares, maximizando la producción de energía renovable desde los techos mientras se abordan desafíos como el ruido, las vibraciones y el impacto en la vida silvestre. Estamos emocionados de ver cómo esta instalación inicial puede conducir a aplicaciones más amplias en las instalaciones globales de BMW.”

– Claus Lønborg, director ejecutivo de Aeromine Technologies.

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Invertir en energía eólica

En el sector de la energía eólica, General Electric (GE ) es uno de los mayores fabricantes de turbinas eólicas a través de su filial GE Vernova (GEV ), una empresa de energía global que diseña, fabrica y entrega tecnologías para crear un sistema de energía eléctrica sostenible. Sus segmentos incluyen Energía, con un enfoque en hidro, gas, vapor y nuclear; Energía eólica, que involucra turbinas eólicas en tierra y en el mar y palas; y Electrificación, que cubre la conversión de energía, soluciones de red, energía solar y soluciones de almacenamiento.

La empresa tiene alrededor de 120 gigavatios (GW) de energía instalada en su flota de 57.000 turbinas eólicas que operan más de 4 mil millones de horas en todo el mundo.

GE Vernova (GEV )

Con una capitalización de mercado de $132.9 mil millones, las acciones de GEV se negocian actualmente a $486, un aumento de más del 48% desde el inicio del año. Tiene un EPS (TTM) de 6,94 y un P/E (TTM) de 70,18, mientras que el rendimiento de dividendos ofrecido es del 0,21%.

En abril, la empresa informó sus resultados financieros del primer trimestre de 2025, que revelaron ingresos de $8 mil millones, una ganancia neta de $0,3 mil millones y $1,2 mil millones de flujo de efectivo de las actividades operativas. GE Vernova también informó un aumento del 8% en los pedidos a $10,2 mil millones.

El saldo de efectivo al final del trimestre fue de $8,1 mil millones. Mientras tanto, se devolvieron $1,3 mil millones a los accionistas.

“Entregamos resultados sólidos en el primer trimestre y nuestras empresas continuaron ejecutando bien. Aumentamos nuestra cartera de equipos y servicios, mejoramos significativamente los márgenes en cada segmento y devolvimos una cantidad significativa de capital a los accionistas. Estoy emocionado de lo que está por venir, ya que estamos solo al comienzo del superciclo de inversión en electricidad.”

– CEO Scott Strazik

El negocio de energía eólica de GE Vernova, sin embargo, mostró un desempeño mixto, ya que enfrenta desafíos en la energía eólica offshore, mientras que la actividad de energía eólica en tierra registra crecimiento.

Como resultado, la entrega en tierra aumentó, apoyada por una mejor tarificación, mientras que sus operaciones offshore experimentaron una contracción. Pero aunque el segmento de energía eólica siguió siendo deficitario, muestra signos de mejora.

Los pedidos del negocio de energía eólica de GE Vernova fueron de $0,6 mil millones, mientras que los ingresos registrados fueron de $1,8 mil millones. La empresa también invirtió más de $100 millones durante el período para mejorar el rendimiento de su flota.

El mes pasado, GE Vernova anunció que ahora está aprovechando el poder de la robótica y la inteligencia artificial para inspeccionar la calidad de cada palas que fabrica, así como la calidad de las materias primas antes del modelado y la ensambladura. A largo plazo, la capacidad de calidad habilitada por IA se espera que mejore la vida útil de los componentes críticos y, en consecuencia, la longevidad de las turbinas.

Últimas noticias y desarrollos de GE Vernova (GEV)

Pensamientos finales: ¿Son las turbinas eólicas sin palas el futuro?

Las turbinas eólicas convencionales son esenciales para la captura eficiente de la energía eólica, pero tienen algunos inconvenientes graves y inherentes, como los altos costos iniciales, la contaminación acústica, el mantenimiento regular, los impactos visuales y ambientales, las limitaciones de construcción en áreas urbanas y la operación eficiente solo a altas velocidades del viento.

Todos estos factores han impulsado el desarrollo de tecnologías alternativas, con las turbinas eólicas sin palas (BWT) representando un nuevo y emocionante capítulo en la tecnología de energía renovable.

En las BWT, el movimiento del viento genera vórtices, lo que hace que toda la estructura oscile, y cuando el movimiento de balanceo coincide con la frecuencia natural de la estructura, el movimiento se amplifica dramáticamente. Esa movimiento o vibración mejorada se convierte luego en electricidad. Aunque poderosa, la tecnología todavía se encuentra en las primeras etapas de desarrollo.

Con los investigadores optimizando diseños que pueden lograr salidas más altas y una mayor integridad estructural, las BWT pueden convertirse finalmente en valiosas adiciones a los portafolios de energía.

A medida que la demanda de energía limpia continúa aumentando y la investigación en curso ayuda a ampliar la innovación en soluciones comercialmente viables, podremos acelerar nuestro viaje hacia un futuro con cero emisiones netas.

Haga clic aquí para obtener una lista de las principales acciones de energía eólica.

Estudios citados:

1. Breen, J.; Mallik, W.; Adhikari, S. Análisis del rendimiento y optimización geométrica de turbinas eólicas sin palas utilizando el modelo de oscilador de estela. Energía Renovable 2025, 215, 123549. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123549

2. Mohamed, Z.; Soliman, M.; Feteha, M.; et al. Un enfoque de diseño óptimo novedoso para turbinas eólicas sin palas que considera las propiedades mecánicas de los materiales compuestos utilizados. Informes Científicos 2025, 15, 1355. https://doi.org/10.1038/s41598-024-82385-9