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El futuro olvidado de la bicicleta estática

Wed, 25 May 2011 00:00:00 +0000

Image: a pedal-powered log splitter.

Si impulsamos la investigación sobre la tecnología a pedales, tratando de compensar las siete décadas de oportunidades perdidas, y la orientamos en una dirección correcta, los pedales y las manivelas podrían realizar una importante contribución en la marcha de una sociedad post-carbono, pero manteniendo muchas de las comodidades de la vida moderna. Las posibilidades que la energía a pedales presenta exceden ampliamente al uso de la bicicleta.

Una manera de evitar las grandes pérdidas de energía en los generadores a pedales, consiste en producir dispositivos de energía mecánica, en vez de eléctricos, siempre que sea posible. Otra manera – la única para dispositivos que no pueden ser accionados directamente por vía mecánica, ya que no se basan en el movimiento rotatorio – consiste en generar electricidad de manera más eficiente.

Esto puede realizarse mediante la construcción de un generador a pedales a partir de cero, en vez de utilizar una bicicleta de carretera, o deshaciéndose de uno o varios componentes electrónicos en la cadena de transmisión de energía. Todos los enfoques pueden combinarse, resultando en una unidad de energía a pedales que puede alimentar una multitud de dispositivos mecánicos y generar electricidad, comparativamente, eficiente.

Transmisión directa de energía mecánica

Muchas máquinas podrían alimentarse directamente de una conexión mecánica, aunque por lo general es preciso adaptar el dispositivo para que pueda funcionar con independencia de la electricidad. Sin embargo, las máquinas a pedales estáticas con transmisión directa de energía mecánica – comunes en los viejos tiempos – hoy en día no están comercialmente disponibles en el mundo occidental.

La única excepción parece ser Fender Blender, una máquina a pedales utilizada para hacer batidos (foto de la derecha). Sin embargo, actualmente las bicicletas máquinas a lo old school están siendo diseñadas tanto por amateurs en el mundo occidental, como por organizaciones sin ánimo de lucro el mundo en vías de desarrollo.

Imagen: Fender Blender.

En Guatemala, Mayapedal ha construido, desde el año 2001, unas 2000 máquinas a pedales (o ‘bicimáquinas’) utilizando componentes de bicicletas viejas. Hasta la fecha, la ONG ha elaborado bombas de agua a pedales, molinos y desgranadoras de maíz, ‘vibradoras’ para elaborar tejas de microcemento, descascaradoras de nueces, lavadoras y licuadoras. Estos aparatos tienen un coste de entre 40 y 250 dólares. Sus artilugios han ido sofisticándose e incluso abaratando su construcción con el tiempo, evolucionando desde bicicletas adaptadas hasta máquinas a pedales construidas desde cero, que incorporan un volante de inercia, y pueden hacer funcionar diferentes tipos de aparatos.

Otro ejemplo es VitaGoat Pedal Grinder, desarrollado por la ONG canadiense Malnutrition Matters. Se trata de un molino accionado por pedales que forma parte de un completo sistema de procesado de alimentos, y es entregado a países en vías de desarrollo de Asia y África. Chocosol enseña a la gente local de México a construir sus propios molinos de granos de cacao a pedales, y los promotores canadienses utilizan esta tecnología en su tienda de Toronto. Full Belly Project diseña desgranadoras de frutos secos a pedales para los agricultores en África.

Image: a pedal-powered mill tresher by Mayapedal.

También hay muchos artefactos construidos por personas individuales: las lavadoras a pedales de Alex Gadsden y Homeless Dave, la máquina de hacer jabón a pedales de Frederick Breeden, o la prensadora de manzana a pedales de Ben Polito. Fuera de los EE.UU también se han construido máquinas similares. Algunos se han centrado en la restauración y puesta en marcha de máquinas antiguas, como Blue Ox Millworks.

Una desventaja obvia de diseñar una máquina a pedales para cada aparato de uso doméstico, agrícola o de taller es que se necesita una gran cantidad de espacio. Además, el diseño de una unidad de energía a pedales para cada herramienta podría llegar a ser un trabajo intensivo, costoso y de elevado consumo energético.

Esto no es tanto un problema en los casos de uso industrial a pequeña escala, donde se requieren pocas máquinas para la fabricación de un producto. Un buen ejemplo es la máquina de hacer jabón a pedales, mencionada anteriormente. Por esta razón, una máquina a pedales podría ser una opción realista para las pequeñas empresas, como un bar de batidos. Sin embargo, cuando se necesitan más herramientas y el espacio está restringido, como sucede a menudo, debemos encontrar maneras de solucionar este problema.

Una solución es utilizar la energía a pedales para generar electricidad que pueda ser utilizada luego para alimentar diferentes aparatos. No obstante, este enfoque es altamente ineficiente, con pérdidas de energía de hasta más de 70%, y se debe evitar siempre que un dispositivo pueda ser alimentado por vía mecánica.

El diseño de unidades universales impulsadas por pedales fue ampliamente investigado en la década de 1970

Otra solución es diseñar una unidad de energía a pedales universal con transmisión mecánica directa, que pueda ser utilizada para operar una gran variedad de herramientas y dispositivos diferentes (incluido un generador). Este método, que resuelve tanto el problema de espacio como el de ineficiencia, fue investigado ampliamente en la década de 1970.

Máquinas a Pedales Multiusos

A principios del siglo XX no existían máquinas de pedal universales, aunque algunas combinaban unas pocas funciones (aserrado y perforación, por ejemplo).

En la década de 1970, se diseñaron y construyeron al menos cinco inventos interesantes: ‘Energy Cycle’ de Dirk Ott; ‘Dynapod’, de Alex Weir; ‘Human Powered Flywheel Motor’, de JP Modak; ‘Pedal Power Unit’, de David Weightman; y por último, ‘Dual-Purpose Bicycle’, de John Ebenezer. Todos estos conceptos son de igual interés para la construcción de unidades de pedal con función única.

Image: Interchangeable trehser and degrainer built by Mayapedal.

Dynapod

Después de experimentar con máquinas a pedales para un único uso en varios países de África, el ingeniero británico Alex Weir (que es también el promotor de esta base de datos de baja tecnología online), construyó el multiusos ‘Dynapod’ (el nombre proviene de las palabras griegas para designar ‘potencia’ y ‘pie’) en Tanzania a principios de los años 70. El módulo de alimentación, basado en un concepto de 1968 ideado por Stuart Wilson de la Universidad de Oxford, desembocó en una versión para una y dos personas. La unidad del tándem duplicó la potencia de salida, y al mismo tiempo, compensó el flujo de potencia, con ambos pares de pedales colocados sin sincronización.

Image: the Dynapod.

El Dynapod fue construido a partir de un cuadro hecho a medida. Aparte de los pedales, las cadenas de transmisión, la máquina no tiene nada en común con a una bicicleta. Los primeros diseños se hacían con cuadros de madera, mientras que las últimas versiones se realizaron con cuadros de acero. Para el volante de inercia, Weir utilizó una vieja rueda de bicicleta llena de cemento. El coste de la unidad con el cuadro de madera (en 1980) estaba entre los 40$ y 100$, materiales y mano de obra incluidos.

El Dynapod podía impulsar bombas, molinos de maíz, aventadoras, sopladores para forja, amoladoras y esmeriladoras, taladros, tornos de alfarero, pulverizadores de pintura, equipos de fumigación, ralladores de mandioca, despulpadoras de café, desgranadoras, descortezadoras de fibra, trilladoras, enfardadoras, sierras de cinta, bombas de pneumáticos y máquinas de coser. También podía utilizarse para generar electricidad.

Aparte de pedales, manivelas y cadenas de transmisión, estas máquinas de energía humana no comparten nada con una bicicleta

Para permitir una operación con tal diversidad de funciones, el Dynapod estaba equipado con múltiples unidades. Podía funcionar por accionamiento directo con una relación de 1:1 (cuando se necesitaba gran capacidad de rotación a baja velocidad), una correa de transmisión con una relación de hasta 3:1 (un término medio entre el par de fuerzas y la velocidad para operar amoladoras o esmeriladoras, trilladoras, etc), o una correa de transmisión con una relación de hasta 10:1 (como un generador eléctrico, una aventadora, y otros usos en los que se requieren altas velocidades).

Ciclo Energía

Rodale Press, editor del libro de 1977 Pedal Power in Work, Leisure and Transport, también tenía un equipo de investigación – Rodale’s Research and Development Department. Junto con el inventor Dick Ott concibieron su versión de una unidad de energía a pedales universal, el ‘Energy Cycle’.

Image: the Energy Cycle.

Al igual que el Dynapod, fue construido desde cero y podía alojar un gran número de herramientas desmontables. Éstas incluían asistencia en la cocina (como un batidor de huevos, un abrelatas, una picadora de frutos secos, una trituradora de alimentos, un pelador de pescado, rebanadoras de carne y queso y un deshuesador de cerezas), maquinaria agrícola (incluía bomba de agua de riego, desplumadora, cosechadora de patatas, desgranadora de maíz, aventadora de cereales, pulidora de arroz, procesador de avena en copos) y herramientas más generales (como un molino de rueda, pulidor de piedra, taladro, tallador de madera y cargador de batería).

Se construyeron varios prototipos mejorados, primero de hierro y después de acero. En la primera actualización del diseño, se añadió una gran mesa de trabajo a la unidad, lo que permitió al operador realizar numerosas tareas sin abandonar su asiento. Versiones posteriores fueron equipadas con un volante de inercia. Los experimentos demostraron que la unidad ofrecía ventajas considerables respecto a las máquinas accionadas a mano o pequeños motores de caballos de potencia. El reto principal sigue siendo la búsqueda de un medio universal para conectar cada implemento al Energy Cycle – debe ser fácil de superar si la investigación industrial seria se dedica a ello.

Cabrestante a Pedales: Sustituyendo al Animal de Tiro o Tractor

7Tanto el Dynapod como el Energy Cycle podían también funcionar como un cabrestante impulsado a pedales, ofreciendo una nueva selección de posibilidades. Un cabrestante es útil para arrastrar, excavar, levantar cargas o como quitanieves. En agricultura, un cabrestante se puede utilizar para el cultivo por cable, un principio en el que la fuerza motora del arado (o nivelado de terrenos, cultivo, siembra y rastrillado de heno) es estática y sólo la herramienta (conectada a un soporte de herramienta multifuncional móvil) circula por el campo mediante un cable.

A pedal powered winch in action.

Este método agrícola consiste en el arado por cable a vapor, único método mecanizado de la agricultura durante casi cien años. El cultivo por cable conlleva un importante ahorro de energía, ya que la fuerza motriz – ya sea humana, animal o mecánica – no debe emplear energía en sí misma para moverse sobre el suelo. Otras ventajas son la prevención de la compactación de la tierra, un notable inconveniente en el uso del tractor, y la posibilidad de trabajar sobre superficies anegadas y de pendientes pronunciadas.

El cultivo por cable es un principio en el que la fuerza motora para arar (o nivelar terrenos, cultivar, sembar y rastrillar heno) es estática, y sólo la herramienta circula por el campo mediante un cable

Image: a pedal-powered winch.

En un campo dejado en barbecho durante un año, el Energy Cycle tiraba de un arado a través del suelo cubierto de hierba y maleza, sustituyendo con éxito el trabajo agrícola de tracción del animal de tiro o tractor. Una persona pedaleaba el cabrestante que lleva al arado por la tierra, mientras que otro lo guiaba. Las dos personas tardaron aproximadamente una hora en arar 1500 pies cuadrados.

La única dificultad estaba en que el cabrestante tenía la tendencia a romper o doblar las herramientas manuales comunes. Debido a este problema, y a que el Energy Cycle llevó a cabo tanto la promesa de herramienta de jardín como la de granja, el equipo de investigación construyó un cabrestante a pedales especializado con herramientas específicas para su uso.

Esta unidad más compacta – básicamente dos pedales separados por un carrete montado sobre cojinetes, construido en un cuadro que también soporta el asiento – era capaz de empujar más de 10000 libras (453 kg) con un esfuerzo medio de pedaleo, ampliando la capacidad humana de energía en unas diez veces. Junto con un cuadro especialmente diseñado que pudiese albergar diferentes accesorios, fue utilizado con éxito para las labores de arrastre, para quitar la nieve, arrancar pequeños tocones y tirar de sembradoras, niveladores de terreno y rastrillos de heno.

Para aquellos trabajos que requerían de un lento pero potente arrastre, como el arado en tierras pesadas, se empleaban engranajes bajos. Los engranajes altos se utilizaban para trabajos más fáciles, como cultivar o nivelar terrenos. A fin de desplazarse lateralmente para que permita cultivar una fila tras otra, se puede montar un cabrestante a pedales sobre patines. El peso de la persona que opera la máquina proporciona suficiente anclaje durante su uso.

Image: a pedal-powered wood strip cutter.

Volante Motor de Accionamiento Humano

Una variación interesante de la máquina a pedales multiusos es el Human Powered Flywheel Motor, diseñado por J.P. Modak, un profesor de ingeniería emérito de la India. La característica destacable de la máquina del Modak – que ha ido desarrollándose desde 1979 – es que puede suministrar mucha más potencia que la del ser humano que la dirige.

El volante motor de accionamiento humano es capaz de ofrecer mucha más potencia que la persona que lo está operando El sistema que la máquina utiliza es la energía humana y la almacena en un volante de inercia, o volante motor, a una tasa de potencia de entrada conveniente para la persona que pedalea. Después de almacenar la máxima energía posible en el volante de inercia (el tiempo de pedaleo es de 1 a 2 minutos), se pone a dispoción para impulsar la unidad de proceso, a causa de la rápida liberación de energía cinética almacenada en el volante de inercia a través de un embrague adecuado. Este concepto sólo funciona cuando el proceso puede ser de naturaleza intermitente sin afectar el producto final.

Image: Human powered brick making machine.

El volante motor de accionamiento humano se desarrolló inicialmente para fabricar ladrillos para una autoridad de viviendas en Mumbai, India. Desde entonces, ha sido utilizado con éxito en diversas actividades productivas de base rural, tales como la elevación de agua, el procesado de formación de algas, el tallaje de madera, el aventamiento, la tala de pistones de madera, la generación eléctrica y la labor propia de un martillo de herrero.

Este concepto de máquina podría suministrar energía a procesos que necesiten hasta 6 HP (aunque hasta la fecha sólo se ha logrado en un tercio). Esto sería de unas 20 a 60 veces más de lo que un humano promedio puede proporcionar, ya sea momentáneamente (300 vatios) o durante largos períodos (100 vatios).

Image: pedal-powered algae processing unit.

La unidad de energía consiste en un cuadro de bicicleta existente que proporciona un asiento y el manillar, un par de engranajes para aumentar la velocidad, y un volante motor de un metro de diámetro aproximadamente. La transmisión consiste un embrague en espiral y un par de engranajes de amplificación diferencial. Para la fabricación de ladrillos en particular, la unidad de proceso está compuesta de una broca, cono y terraja, convencionalmente utilizados en extrusoras de ladrillo motorizadas para la fabricación de ladrillos de arcilla.

Combinando la Energía a Pedales Estática y Móvil

Un enfoque muy diferente a las máquinas de pedal multiusos es el de David Weightman. Su concepto (y prototipo) se inspiró en el Dynapod, pero Weightman añadió una característica: la máquina debía ser además apta para el transporte. Su Unidad de Potencia del Pedal (PPU) estaba formada por la rueda de una bicicleta en horquillas montada en un cuadro con sillín.

De esa manera, la unidad podía utilizarse independientemente para conducir la maquinaria a través de un arranque de potencia, o bien podía conectarse a un chasis de dos ruedas para formar un triciclo de transporte de carga. Asimismo, la unidad podía estar conectada en serie con otras unidades para aplicaciones de máquinas que necesitasen más potencia. Weightman justificó su concepto enfatizando la estrecha relación entre el transporte y el uso de máquinas para la poducción agrícola e industrial:

Dual-Purpose Bicycle es un diseño muy similar a los generadores eléctricos vendidos hoy en día, aunque su objetivo es la conducción mecánica de múltiples máquinas y la producción de electricidad “En un ciclo típico de cultivo agrícola, las semillas y los fertilizantes se transportan al campo, los cultivos se cultivan y después son procesados mediante la maquinaria; más tarde lo producido se transporta al mercado. Patrones similares pueden observarse en la construcción y la producción industrial a pequeña escala. El uso de una unidad de potencia a pedales para este doble propósito es exactamente análogo al uso de tractores en la agricultura europea como fuentes de enrgía y dispositivos de transporte”

Job Ebenezer, de la organización sin ánimo de lucro ‘Technology for the Poor’ desarrolló aún más este diseño, simplificándolo considerablemente al sustituir el triciclo por la bicicleta. A primera vista, su ‘Dual-Purpose Bicycle’ parece muy similar a las unidades generadoras de electricidad que se venden hoy en día, aunque su objetivo es la conducción mecánica de múltiples máquinas y la producción de electricidad.

Image: the dual-purpose bicycle by Job Ebenezer.

El ingenioso diseño, principalmente de uso agrícola, consiste en un volante de inercia muy pequeño unido a una bicicleta estándar. Esto permite su uso como máquina a pedales que pueda ser utilizada para alimentar numerosos dispositivos mecánicos a pequeña escala, tales como trilladoras de grano, molinos, aventadoras, desgranadoras de cacahuetes y maíz, sierras circulares, tornos para trabajar madera, bombas de agua, generadores eléctricos, y gran variedad de pequeñas herramientas.

El artefacto puede convertirse del modo transporte al modo energía a pedales en cuestión de minutos. La amplia base, que proporciona estabilidad durante la producción de potencia, puede volverse hacia arriba durante el modo transporte y duplicarse como transporte de mercancías. El dispositivo generador de energía permanece conectado en el modo transporte, de modo que pueda ser transportado fácilmente y utilizado inmediatamente. Por supuesto, esta unidad a pedales es un compromiso, pero un compromiso interesante.

Al contrario que los conceptos modernos, tiene un pequeño volante de inercia que no es accionado por fricción, debido a su bajo rendimiento. Durante el modo en que genera fuerza motriz, la cadena ordinaria de la bicicleta es deslizada fuera del piñón, y se activa una cadena personalizada para el mecanisco que desencadena la potencia.

Cambiar las relaciones de transmisión es tan simple como en una bicicleta de carretera. Para poner en marcha dispositivos más potentes, se puede colocar un volante de inercia más grande entre el módulo de energía y la unidad de proceso.

Image: R2B2 kitchen device by Christoph Thetard.

Monopedales

Las numerosas ventajas de las máquinas a pedales, no hacen que las palancas manuales o los monopedales estén obsoletos. No todos los dispositivos necesitan el par extra la energía de dos pedales. Las manivelas y los monopedales pueden ser una opción mejor si los requisitos de energía son bajos o si la energía sólo se necesita durante un periodo corto de tiempo.

Un dispositivo con manivela es mucho más compacto que un dispositivo accionado por pedales. Si se requiere el control de la mano mientras se opera un equipo de baja potencia, entonces el monopedal sigue siendo la mejor elección, ya que ofrece al operario mayor libertad de movimientos que el par de pedales.

Por supuesto, ambos mecanismos pueden beneficiarse de las ventajas en el diseño y de materiales modernos – incluyendo engranajes que aumenten la velocidad o el par. Un buen ejemplo es la unidad de cocina R2B2 del diseñador alemán Christoph Thetard (no está a la venta, desafortunadamente). Combina tres aplicaciones de cocina con una unidad de accionamiento central.

El corazón de la unidad es un volante de inercia impulsado por un pedal único que funciona como almacenamiento de energía a corto plazo (como en el Volante Motor de Accionamiento Humano), capaz de suministrar hasta 350 vatios (de potencia mecánica) a los diversos aparatos. Al igual que las máquinas de finales del siglo XIX, y al contrario que los aparatos de cocina de hoy en día, está hecho para durar.

Electricidad a Pedales: Reducción de Costes y Pérdidas de Energía

Muchas máquinas y dispositivos modernos no pueden alimentarse directamente de la energía mecánica. Este hecho es especialmente cierto en los equipos electrónicos (como ordenadores, televisores, teléfonos móviles, routers, etc) pero también en frigoríficos o bombillas. Si queremos mantener estas comodidades modernas, tenemos que encontrar un camino para hacer la energía a pedales más eficiente. Contamos con diversas maneras para conseguirlo.

1. Construir un Generador desde Cero14 copia

Debido a que tiene algunas desventajas, la mejor manera de empezar es construir un generador a pedales desde cero, en vez de utilizar una bicicleta sobre rodillo fijo. Esto permite reemplazar la unidad de fricción por una más eficiente, como una cadena de transmisión, y añadirle un volante de inercia.

Los volantes de acero pueden encontrarse en las bicicletas estáticas más caras. Sin embargo, un volante de inercia puede también ser barato, de baja tecnología y tan eficiente cuando se emplea una rueda de bicicleta llena de hormigón o un tablero de madera.

Este último es utilizado por el ‘Pedal Powered Prime Mover’ (PPPM), realizado por David Butcher; es uno de los pocos buenos ejemplos de un generador de electricidad a pedales construido desde cero (los planos se venden a 50$ y el coste para la versión Do-it-Yourself se estima en 230$). Se trata de un cuadro de acero elaborado a partir de soportes de estanterías de acero.

Image: the pedal-powered prime mover by David Butcher.

Aunque el PPPM utiliza una transmisión por fricción, ésta es bastante eficaz, ya que se acciona, básicamente, por una llanta de madera – el volante de inercia. Debido a que cuanto más alta es la presión de los neumáticos, mayor la eficiencia de una unidad de fricción, una rueda de madera puede considerarse una rueda de bicicleta en condiciones de una presión óptima del neumático.

Aún es más: el volante de inercia es accionado directamente por los pedales, eliminando completamente la pérdida de energía en cadenas y ruedas dentadas (en otras palabras, la transmisión es directa). La única pega de este método es que no podemos cambiar la relación en la transmisión.

Butcher (que montó su primera máquina en los años 70) asegura que la eficiencia mejora entre un 25 y un 50% frente a una bicicleta estándar sobre un rodillo fijo. Curiosamente, también puede alimentar algunos dispositivos a través de una conexión mecánica directa: una bomba de agua, un martillo, un cincel de mampostería, un compresor de aire y un serrucho. Construir una máquina accionada por pedales a partir de cero puede ofrecer lo mejor de ambos mundos.

2. Pasa de la Electrónica

Puedes ir mucho más lejos para mejorar la eficiencia de un generador a pedales. En el caso más extremo, puedes saltarle el regulador de tensión, el convertidor y la batería, quedando sólo la pérdida de energía del generador. O bien puedes dejar de lado alguno de ellos.

En el caso más extremo, puedes saltarte el regulador de tensión, el convertidor y la batería, quedándote únicamente con las pérdidas de energía del generador

Sin embargo, todas estas acciones tienen un precio. Si te deshaces del convertidor, necesitarás reemplazar los dispositivos eléctricos que utilices. Lo que necesitarías entonces serían aparatos de corriente continua como los que se conectan en el interior de un coche. Si bien esta opción puede ser interesante debido a la alta pérdida de eficiencia de un convertidor (25%), no todos los aparatos disponen de su variante en corriente continua (por ejemplo, no hay ordenadores portátiles de corriente continua*).

Al deshacernos del regulador de tensión – y varios de los generadores a pedales vienen sin ellos – debes observar cuidadosamente un multímetro mientras pedaleas para asegurarte de que el voltaje no excede la capacidad de la batería (o el dispositivo que pongas en funcionamiento, si te deshaces de la batería también).

En caso contrario, podría llegarse a destruir la batería (o dispositivo, si no utilizas batería). Un volante de inercia puede ser de gran ayuda aquí, porque suaviza no sólo la entrada de energía (la fuerza que se alterna entre alta y baja a causa del ritmo natural de pedaleo), sino también la energía de salida, manteniendo un ritmo relativamente constante de tensión.

3. Deshazte de la batería

Eliminar la batería, o sustituirla por un ultracondensador mucho más eficiente y robusto, es probablemente lo mejor que puedes hacer, no sólo en términos de eficiencia, sino también de costes, fiabilidad y –sobre todo- sostenibilidad. (Los condensadores tienen una vida útil mucho más larga que las baterías, pero una densidad de energía mucho más reducida). Sin embargo, se pierde la ventaja de generar energía y almacenarla para su uso posterior. En tal caso, se tendría que pedalear mientras se utiliza el dispositivo al mismo tiempo, como es el caso de la transmisión directa de la energía mecánica.

Si es o no conveniente depende de para qué quieras utilizar el generador. Si lo que principalmente necesitas es cargar tu ordenador portátil o dispositivo móvil, no tener una batería para almacenar la energía no es un problema ya que los propios dispositivos disponen de batería. Por el contrario, si lo que quieres es iluminar la escalera o alimentar el televisor, el ordenador de mesa, la guitarra eléctrica o una pequeña nevera, puede ser algo complicado. Si quieres reproducir música grabada y bailar, no utilizar batería podría también ser difícil.

4. Construir Plantas de Energía a Pedales a gran escala

Mejorar la eficiencia del generador eléctrico a pedales es más fácil en cuanto se organiza a escala más grande. En la mayoría de los proyectos artísticos o educativos descritos anteriormente, como el programa de la BBC o los conciertos a pedales, no se utilizan baterías. La clave aquí es que no es una persona sola la que genera y produce energía, sino un gran grupo de personas, de los cuales unos producen energía mientras que otros la consumen.

De manera similar, se podría generar electricidad en grandes centrales eléctricas de pedal accionado, y después distribuirla a las casas, tiendas, espacios públicos y fábricas. Esto es más eficiente que hacerlo en cada casa por separado, ya que se puede eliminar las baterías y aún así ofrecer electricidad las 24 horas del día. Las plantas de energía simplemente añadirían más personas pedaleando cuando la demanda fuese alta (como en las horas punta) y enviarlos a casa cuando la demanda fuese baja (por las noches, por ejemplo).

Las plantas de energía a pedales podrían ser una valiosa solución a la naturaleza intermitente de las fuentes de energía renovables

Las plantas de electricidad de accionamiento humano evitarían las pérdidas de transmisión de una red eléctrica, extremadamente centralizada hoy en día. Deberían estar situadas preferentemente en cada barrio o distrito de ciudad. En este escenario, también se hace posible suprimir los convertidores y cambiar el sistema de distribución eléctrica, de CA a CC, puesto que el sistema actual sólo ha sido escogido por ser más eficiente al transportar la electricidad a largas distancias. Por supuesto, esto es menos plausible, ya que significa volver a cablear las ciudades y reemplazar todos los dispositivos.

Image: a pedal powered generator.

El futuro de las Máquinas a Pedales

Si impulsamos la investigación de la tecnología a pedales, tratando de compensar las siete décadas de oportunidades perdidas, y la conducimos en una dirección correcta, los pedales y las manivelas podrían hacer una contribución importante en la ejecución de una sociedad post-carbono, manteniendo muchas de las comodidades de la vida moderna. Las posibilidades de la energía a pedales van mucho más allá, por tanto, al uso de la bicicleta.

El pedaleo de personas podría convertirse en suministro de energía para la agricultura, fábricas, construcción, minería e incluso otros medios de transporte distintos a la bicicleta: teleféricos, funiculares y transbordadores. Las plantas eléctricas accionadas por pedales podrían ofrecer una solución valiosa en el respaldo a las fuentes de energía renovables intermitentes, sustituyendo al carbón, gas y energía nuclear como energía de base cuando el sol y el viento cesasen.

La potencia humana está disponible las 24 horas del día, no se ve afectada por los cambios del clima, es portátil y puede almacenarse fácilmente para su uso posterior. Al contrario que la eólica y la biomasa, es una fuente de energía que nunca se agotará, puesto que su potencial sigue el ritmo de crecimiento de la población. La energía a pedales podría también ayudar al desempleo, contribuyendo a una mano de obra saludable y en forma, además de favorecer el buen aspecto de una gran cantidad de traseros.

Image: pedal-powered nut sheller.

Límites de la Energía a Pedales

Por supuesto, la potencia del pedaleo sólo puede ser destacable si reducimos drásticamente el consumo de energía. Aunque los atletas pueden producir una potencia de salida de más de 2000 vatios en una bicicleta, sólo pueden mantenerla durante un período de pocos segundos. La potencia que puede proveer una persona media en un periodo de tiempo mantenido es mucho menos interesante que eso: 75 vatios o ‘1 hup’. Esta unidad de medida (corta para la potencia humana) fue propuesta en 1984, y nos dice que una persona tipo puede mantener 1 hup durante todo el día, 2 hups (150 vatios) durante dos horas aproximadamente, 3 hups (225 vatios) durante unos 30 minutos, y 4 hups (300 vatios) sólo de manera momentánea.

La falta de vientos de enfriamiento autoproducidos puede resultar sobrecalentamiento del cuerpo

Otra razón para no ser demasiado optimistas en cuanto a la potencia de salida durante el pedaleo estático, es el hecho de que al pedalear sin movernos no se hace necesario superar la resistencia al aire. Suena como algo positivo, porque a altas velocidades un ciclista emplea la mayoría de su energía en compensar la resistencia al aire. Sin embargo, la resistencia al aire también mantiene al cuerpo humano activo contra el sobrecalientamiento.

Se encontró que la potencia de salida medida por los ergómetros (bicicletas estáticas utilizadas para medir la potencia de salida de los ciclistas) es sustancialmente menor que la producida por las mismas personas en carretera, debido a la ausencia de viento de enfriamiento autoproducido, lo que resulta en un posible sobrecalentamiento del cuerpo (también es un problema en los velomóviles). Un ventilador (autopropulsado) podría mantener al pedaleante estático fresco, pero sólo es una solución parcial. Como señala David Wilson en Bicycling Science:

“El flujo de aire relativo que genera el ciclismo es de tal magnitud que guarda poca semejanza con las corrientes de aire producidas por pequeños ventiladores eléctricos de uso frecuente para la refrigeración de las personas pedaleando ergómetros. A una velocidad de unos 9 m/s alrededor de 150 vatios se disipan en el aire. Incluso si se utilizan ventiladores de este nivel de potencia [negando la potencia producida por quien pedalea], el efecto de enfriamiento sería mucho menor que aquel para el cliclista en movimiento, porque la mayor parte de la potencia del ventilador se disipa como la fricción del aire en las zonas que no sean alrededor del cuerpo del sujeto.”

Mientras que la producción de calor corporal podría proporcionar interesantes efectos secundarios en invierno – varias personas en una habitación pequeña no necesitarían calefacción – la energía que puede ofrecer la potencia del pedaleo estaría limitada sin duda. Pedalear al aire libre cuando hace viento puede ser de ayuda, pero no siempre es posible.

Image: a pedal-powered drop forge hammer.

Se Buscan: 1,2 billones de Pedaleantes para Reino Unido

El principal problema, no obstante, radica en la demanda de personas que pedaleen. Para que os hagáis una idea, veamos cuánta gente sería necesaria para utilizar la potencia de pedales en una planta de energía de carga base. Una familia promedio de Reino Unido consume unos 13 kWh de electricidad al día (una familia americana consumiría al menos el doble). Si consideramos una pérdida de energía relativamente pequeña de 25% al convertir la energía humana en electricidad, se emplearían 173 horas de pedaleo a 100 vatios (por tanto, a más de 1 ‘hup’) para producir 75 Wh por hora.

Si presumimos un consumo de electricidad distribuido uniformemente en el transcurso de 16 horas, y descartamos el consumo eléctrico por la noche, se emplearían dos turnos de diez personas cada uno pedaleando sin parar durante ocho horas. Y esto sólo hace referencia a un uso residencial de electricidad.21 copia

Si tenemos en cuenta el consumo eléctrico total en el Reino Unido, cada persona necesita 15,7 kWh por día, o dos equipos de diez personas cada uno pedaleando sin parar durante ocho horas. El Reino Unido tendría que importar 1.2 billones de personas como mano de obra (el mismo número que el total de habitantes de la India) para pedalear su camino hacia la independencia energética, además de no permitir el uso de electricidad de todas estas de personas.

Image: pedal power unit with chain drive.

Aquí ni siquiera estamos considerando los picos de la demanda, sino el consumo medio. Y sólo estamos hablando del consumo eléctrico, no de combustibles para la calefacción ni el transporte. Claro que el viento y el sol podrían ayudar a disminuir la necesidad de energía a pedales como carga base. Pero cuando cesase el sol o el viento, la energía tendría que ser complementada.

Por otro lado

En otras partes del mundo, las cosas son ligeramente diferentes. Si todos los nepalís pudieran pedalear dos horas al día, el país sería completamente accionado por pedales, aún sin el apoyo de otras renovables. Curiosamente, la ONG Ecosystems Nepal distribruye generadores a pedales en las aldeas de Nepal, donde son utilizados en un escenario un tanto similar al imaginado más arriba. Una aldea está equipada con un generador de energía a pedales, el cual es pedaleado durante ocho horas al día, de manera que permite cargar baterías de gran tamaño.

El principal problema de nuestro enfoque es que comparamos las máquinas a pedales con las de alimentación por combustibles fósiles, y no a las ineficientes herramientas y máquinas de accionamiento humano que las precedieron

Esta aldea ‘central de energía’ es luego visitada por personas que viven en los alrededores, más o menos una vez al mes, para cargar las pequeñas baterías de sus motocicletas. Incluso teniendo en cuenta las considerables pérdidas de energía (al utilizar baterías para cargar baterías), un generador a pedales proporciona suficiente electricidad para 200 hogares. Esto es posible porque las baterías pequeñas sólo necesitan alimentar lámparas led de 0,2 vatios, suficiente para leer un libro. Me temo que incluso mi Kindle utiliza más que eso, y no tiene luz para leer.

Image: a pedal-powered laptop.

Las manivelas y los pedales no son en absoluto una solución si decidimos aferrarnos a un estilo de vida de alto consumo energético – pero entonces, tampoco lo es cualquier fuente de energía renovable (o incluso no renovable). El principal problema del enfoque que hacemos a las máquinas a pedales está en que las comparamos con las máquinas alimentadas por combustibles fósiles, y no con las ineficientes herramientas y máquinas de propulsión humana que las precedieron.

Esto explica por qué en el mundo occidental la energía a pedales provoca risas, pero es acogida con entusiasmo en el mundo en vías de desarrollo, donde, por ejemplo, los métodos de la agricultura todavía se basan en gran medida en el uso de potencia humana, utiizando herramientas primitivas que suelen ser ineficientes. En este escenario la luz es producida por las lámparas de queroseno, sucias e ineficientes; en otras ocasiones, no hay luz.

Irónicamente, las comunidades de los países más pobres del mundo están desarrollándose como sociedades sostenibles. Cada vez son más independientes respecto a los combustibles fósiles, disfrutando de las comodidades básicas pero modernas. Entretanto, nosotros seguimos siendo cada vez más dependientes en nuestro camino hacia el incremento de las fuentes de energía sucias, peligrosas y decrecientes.

Fuentes (en orden de importancia)

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Pasado y futuro de los molinos de viento industriales molino aserrador

Thu, 08 Oct 2009 00:00:00 +0000

Imagen: Wikipedia Commons.

En los años 30 y 40 del pasado siglo, mucho tiempo después que las máquinas a vapor hubieran dejado obsoleta la energía eólica, investigadores científicos holandeses se obstinaron en mejorar el ya de por sí complejo molino de viento tradicional.

Los resultados fueron espectaculares y no hay duda de que hoy en día un ejército de ecogeeks los podría mejorar aún más. ¿Sería factible volver a impulsar el molino industrial de viento y convertir de nuevo energía cinética directamente en energía mecánica?

En 1850 los Países Bajos albergaban 5 veces más molinos de viento que aerogeneradores que hoy existen

Hace más de 900 años, la Europa medieval se convirtió en la primera gran civilización que no funcionaba gracias a la fuerza muscular. Miles y miles de molinos de viento y norias transformaron radicalmente la industria y la sociedad. Fue una revolución industrial totalmente alimentada por energía renovable – con lo que hoy solo podemos soñar.

El viento y el agua movían los molinos que eran, en esencia, las primeras fábricas de la historia. Se trataba de un edificio, una fuente de energía, la maquinaria y los empleados, y de ellas salía un producto.

Los molinos de viento y las norias no eran tecnologías nuevas – ambas máquinas aparecieron en la Antigüedad y las que se usaban en los inicios de la Edad Media no diferían técnicamente de aquellas. Sin embargo, antiguas civilizaciones como la griega y la romana apenas las utilizaron, posiblemente por razones religiosas, y debido a la más que suficiente mano de obra esclava.

Agua versus viento

Los molinos movidos por el agua fueron, en general, más importantes y numerosos que los molinos de viento. Esto era lógico ya que la tecnología que emplean es más simple y fiable. El caudal de un río puede cambiar según las estaciones, pero los ríos casi siempre conservan algo de corriente. Por otra parte, haciendo uso de los canales y compuertas, el flujo del agua podía ser controlado con precisión para proporcionar la velocidad o carga requerida por los mecanismos situados dentro del edificio del molino.

Fuente: \"Molenbouw: het staande werk van de bovenkruiers\", Anton Sipman, 1975.

El viento, por el contrario, no siempre sopla. Cuando lo hace, su velocidad y dirección puede cambiar repentínamente y los molinos no disponían de un método eficiente para controlar su fuerza, al menos no, en la época medieval. La presencia de molinos movidos por agua se multiplicó en Europa desde finales del siglo XI y en tan solo 200 años casi todas las energías disponibles en ríos y arroyos fueron empleadas. Sin embargo, no todas las regiones eran aptas para instalar molinos de agua. Las razones bien podían ser la escasez de suficientes recursos hídricos (como España), demasiado llana y ríos de insuficiente corriente (como en los Países Bajos y tierras bajas de Inglaterra) o que los ríos se congelaban durante el invierno (como en Escandinavia, Rusia y Alemania).

En estos países, los molinos de viento aparecieron en el siglo XIII y se extendieron rápidamente. Posteriormente, incluso en las regiones que tenían suficientes recursos hídricos, se construyeron molinos de viento lo que evidenciaba el uso exhaustivo que se hac¡a de rios y corrientes.

¿De cuantos molinos estaríamos hablando…?

La cantidad de molinos de viento que existían a principios de la Edad Media sigue siendo una incógnita, ya que los pocos indicios que han podido estudiarse no permiten discernir si eran molinos movidos por agua o por viento. Por ejemplo, sabemos que en 1300 existían entre 10.000 y 12.000 molinos en el Reino Unido, pero no sabemos cuántos de ellos eran movidos por el viento (debian haber sido una minoría).

Solo se disponen de datos individuales de molinos de viento, que comienzan a aparecer a finales del siglo XIII. Es sólo de los siglos XVIII y XIX, período en el que la tecnología del molino de viento se expande, cuando aparecen registros inventariados más precisos.

En 1750, habían de 6.000 a 8.000 molinos de viento en los Países Bajos, de estos en 1850 existían 9.000. A título de comparación, esto significa casi 5 veces más que los aerogeneradores allí instalados hoy en d¡a (1.974 turbinas en septiembre de 2009). El Reino Unido tenía entre 5.000 y 10.000 molinos de viento en 1820. Francia, en 1847, disponía de 8.700 molinos de viento y 37.000 molinos de agua.

En 1895, Alemania tenía 18.242 molinos de viento. (Hoy posee alrededor de 18.000 aerogeneradores). Finlandia por su parte tenía 20.000 molinos de viento en 1900. En Portugal, España, diversas islas del Mediterráneo, muchos países de Europa Oriental y países escandinavos tambien existía una ingente cantidad de molinos de viento. La cantidad total de molinos de viento en Europa se ha estimado en unos 200.000 (en su punto de máxima expansión), frente a unos 500.000 movidos por agua. Los molinos se construian en el campo y en las ciudades, e incluso en las paredes de los castillos y fortificaciones para as¡ atrapar mejor el viento.

Alrededor de 1600, aparecieron nuevas aplicaciones para los molinos de viento; aserraderos, papeleras, molinos de mostaza, de tabaco,…

En un principio, la única función de los molinos era la molienda del grano y en menor medida el bombeo de agua para la desecación de zonas pantanosas (para ello debían conectarse auna noria de vaciado o a un tornillo de arquímedes).

El pan y la avena eran la base de la dieta en la Edad Media (la carne, el pescado y las verduras sólo eran asequibles para los ricos) y todo el grano debía molerse. Para que una familia tubiera harina suficiente era preciso que una persona pasara dos horas al día moliendo a mano. Molinos de viento para maíz se destinaron a la fabricación de ginebra holandesa y otros licores.

La molienda del grano continuaba siendo la función más importante de los molinos de viento. Para hacerse una idea en 1900, toda la cosecha de trigo de Europa del Norte fue tratada por molinos de viento en los Países Bajos, Dinamarca y Alemania. Sin embargo, alrededor del año 1600, aparecieron muchas de las nuevas aplicaciones industriales de los molinos; aserraderos, papeleras, molinos de mostaza, de tabaco,…

Nuevas aplicaciones

Se utilizaron los molinos para el descascarillado de la cebada y del arroz, la molienda de la malta, el prensado de la aceituna para extraer su aceite y el prensado de diferentes semillas como la linaza, la semilla de colza y semillas de cáñamo que daban aceite para hornillos y para el alumbrado. También hubo molinos de cacao, de mostaza, de pimienta (utilizado también para otras especias), incluso molinos de tabaco y rapé.

Fuente: Penterbak.

Además de la producción de alimentos, dos aplicaciones importantes de la tecnología del molino de viento eran la obtención de papel (usando cuerdas y las velas de los barcos como materia prima) y el aserrado de madera. Los molinos fueron utilizados también para triturar yeso (necesario para fabricar cemento), triturar mortero, drenar las minas, ventilar pozos (e incluso una cárcel), pulir vidrio y en la fabricación de pólvora.

El distrito de Zaan

Uno de los desarrollos tecnologicos más importantes de la industria de la energía eólica se produjo en el distrito de Zaan, una región situada justo encima de Amsterdam en los Países Bajos. Si bien la zona esta rodeada por agua, su energía potencial era limitada, ya que la zona es casi plana, por lo que el flujo de los ríos es mínimo. El viento, sin embargo, es fuerte. Muchas de las aplicaciones de los molinos descritas anteriormente aparecieron por primera vez (y a veces única) en el distrito de Zaan. Se dice que la región fué la primera zona industrializada de la historia.

Imagen: El distrito de Zaan.

Desde 1600 a 1750, los Países Bajos alcanzaron un importante poder económico y en ese periodo se construyeron en ella alrededor de 1.000 molinos (véase el mapa de la derecha). A los molinos se bautizan, como a los barcos.

Un elemento vital de la industria eólica en el distrito de Zaan fue el molino aserrador. La madera era necesaria para la construcción de viviendas, compuertas, barcos y por supuesto más molinos de viento. El aserrado mano era una tarea dura y lenta, los molinos aserradero reducian en gran medida el tiempo necesario para el proceso. Utilizando sierras de mano, en producir 60 vigas se empleaban 120 días hábiles, con energía eólica este proceso solo precisaba de 4 a 5 días (ver la imagen de abajo, mas aqui).

Un elemento vital de la industria eólica en el distrito de Zaan fue el molino aserrador. La madera era necesaria para la construcción de viviendas, compuertas, barcos y por supuesto más molinos de viento. El primer aserradero ( “Het juffertje” o “La señorita”) se construyó en 1596 en la ciudad de Zaandam, por Cornelis Corneliszoon. En 1630, se contaban 83 aserraderos al norte de Amsterdam, 53 de ellos localizados en el distrito de Zaan. El punto álgido se alcanzó en 1731 contabilizándose 450 aserraderos en los Países Bajos, 256 de ellos en el Zaan. En algunos casos, incluso la grúa usada para poder mover la madera de estas instalaciones, era impulsada por las velas.

Fuente: [Penterbak](http://penterbak.nl/deeenhoorn.html).

Otra temprana aplicación industrial de la energ¡a eólica en el distrito de Zaan, fue la producción de papel – motivado por la aparición de la imprenta. El primer molino de viento de fabricación de papel (“De Gans” o “El Ganso”) data de 1605 y en 1740 había 40 de ellos. A mediados del siglo XXVII, el molino papelero holandés se había perfeccionado en gran medida, lo que le permit¡a obtener un papel de mejor calidad, más blanco y en menor tiempo.

Un ejemplo que aún queda es “De Schoolmeester” (“El Maestro”), construido en 1692 (ver el cuadro de introducción y el interior más abajo). Los molinos eólicos de papel eran poco frecuentes en otros países, pero las versiones movidas hidráulicamente aparecieron ya en el siglo XI y se hicieron comunes – en Inglaterra, había 417 de ellos en 1800.

Solo unos pocos de los 1.000 molinos que sobreviven hoy en los Países Bajos son molinos de viento industriales. Contrariamente los molinos de drenaje y de maíz se mantuvieron económicamente viables durante mucho más tiempo. Otros molinos de viento notables en Zaan fueron los de rapé y tabaco (38 en 1795), los molinos de aceite (140 en 1731), los descascarilladores de cebada (65 en 1731), los destinados a fabricar colorantes (21 en 1731) y a producir cáñamo (20 en 1731). Los holandeses también construyeron cientos de molinos de viento en las Indias Occidentales para triturar caña de azúcar. Solo unos pocos de los 1.000 molinos que sobreviven hoy en los Países Bajos son molinos de viento industriales. Contrariamente los molinos de drenaje y de maíz se mantuvieron económicamente viables durante mucho más tiempo.

Energía de reserva: los animales

En muchos otros países europeos, funciones similares se llevaban a cabo principalmente con molinos de agua. Sin embargo, no todas las actividades impulsadas por ruedas hidráulicas lo hubiesen podido hacer con la energía del viento. La inconstancia del viento hacía a los molinos de viento no aptos para procesos que necesitaban una potencia de salida constante y fiable, como por ejemplo el fundido y forja de metal, afilado de herramientas o la extracción de minerales de las minas.

En los países donde el potencial de la energ¡a hidráulica era insuficiente, algunas de estas actividades se llevaban a cabo mediante animales, principalmente caballos. Los caballos también fueron utilizados como energía de apoyo en largos períodos de calma, con el fin de garantizar la entrega. Razón por la que en los Países Bajos en 1850, no solo había 1.800 molinos de viento para la molienda del maíz, sino también 1.300 molinos movidos con fuerza animal para la molienda de trigo sarraceno, cereal con un grano que requiere de una molienda mucho más constante.

Mas allá de los molinos y las factorias molino

Los primeros molinos medievales eran simples máquinas, derivados de las ruedas hidráulicas. Sin embargo, durante los siglos posteriores, los molinos de viento se convirtieron en una tecnología muy sofisticada. Los molinos de viento son máquinas mucho más complejas que las ruedas hidráulicas, a causa de la direccíon variable del viento. Los primeros molinos de viento, en la región que hoy es Irán y Afganistán, eran de tipo horizontal (eje vertical), y por lo tanto no era necesario adaptarlos para los cambios de dirección del viento. Pero estas maquinarias, mucho menos eficientes, nunca fueron utilizadas en Europa.

En un principio, los constructores de molinos medievales resolvieron el problema del viento variable mediante la colocación de la planta del conjunto sobre un eje central que se podía utilizar para encararlo al viento. Este fue el llamado “molino de poste” (a la derecha). Alrededor de la década de 1400, apareció un segundo tipo de molino de viento, en el que sólo la tapa y el eje de las velas manteniéndose estacionario el cuerpo de la planta. Este fue el llamado “molino de torre”, perfeccionado más tarde por los holandeses (ver el diagrama de la izquierda).

Los molinos de torre fueron el tipo de molino dominante en el Mediterráneo, aunque se trataban de máquinas menos eficientes con velas muy diferentes. Ya que permanecía inmóvil, el cuerpo principal del molino de torre podría ser construido a partir de piedra o ladrillo, lo que le confería mayor robustez. Ambos tipos continuaron en uso, pero paulatinamente muchos molinos de poste fueron reemplazados por molinos de torre desde el siglo XVII al siglo XIX.

Orientando las velas al viento

Hoy en día, los aerogeneradores se orientan frente al viento de forma automática por medio de equipos electrónicos. Cuando el viento es demasiado fuerte, la electrónica impide la rotación de las palas para evitar daños en la estructura. Los constructores de molinos medievales no tenían microchips y necesitaban encontrar otra solución.

Durante siglos, los molinos de viento se orientaban al viento a brazo. Esto se hacía mediante un gran madero en la parte trasera del molino (conectado a la escalera de la cola en el caso de un molino de poste), moviéndolo a la posición deseada, y fijándolo a uno de los doce postes de anclaje, que hundidos en el suelo formaban un círculo alrededor del molino.

Esta maniobra no era una tarea fácil, porque el cuerpo de un molino de poste debía moverse con el peso de toda la maquinaria interior. Algunos molinos fueron equipados con un cabrestante en el extremo del madero de gobierno, que se deslizaba a lo largo de un riel circular, lo que hizo la tarea un poco más fácil.

La parte superior de los molinos de torre se orientaban de una manera parecida, por medio de un madero mucho más largo – que llegaba hasta el suelo o hasta la terraza en el caso de un molino de torre de plataforma (en este caso). Alrededor del muro del molino se abrían unos orificios que permitían al molinero saber, si cambiaba el viento y en que dirección lo hacía.

El ajuste de las velas: una tarea ingente

La adaptación a las variaciones en la velocidad del viento era una operación aún más difícil. La maquinaria de la fábrica en el interior del molino requiere una velocidad de operación bastante precisa. Por ejemplo, los molinos de maíz funcionaban mejor de 50 a 60 giros por minuto ya que si superaban los 80 giros el grano se quemaba. Otro riesgo era que si las aspas giraban demasiado rápido, el molino de viento podía sufrir daños estructurales y derrumbarse. De nuevo, durante siglos, el molinero tuvo que realizar este ajuste a mano.

Plegando dos o incluso cuatro velas, o reduciendo la superficie vélica era posible adaptarse eficazmente a mayores intensidades de viento, pero con fuertes vientos esto debía haber consistido una tarea ingente. Básicamente, existen dos formas de ajustar la velocidad de giro a la variación de intensidad del viento. Las pequeñas diferencias de velocidad del viento pueden ser absorbidas, en el interior del molino, aumentando o disminuyendo la carga. Por ejemplo, en un molino de maíz, la adaptación a una mayor intensidad del viento se podría hacer mediante la ampliación de la zona de contacto entre las piedras de moler y añadiendo más grano. Debido a que la carga se incrementa, la velocidad de giro de las aspas se mantiene, a pesar de la mayor intensidad del viento.

Fuente: \"Dagboek van een molenaar\".

Sin embargo cuando el incremento de la intensidad del viento era demasiado grande, al molinero no le quedaba otra alternativa que salir de la fábrica y ajustar las velas. Los molinos de viento tradicionales no estaban equipados con palas, sino con aspas que consistían en un marco de madera cubierto de tela (en climas más fríos, el lienzo fue sustituido generalmente por listones de madera, que eran más fáciles de manejar en condiciones de frío intenso).

Plegando dos o incluso cuatro velas, o reduciendo la superficie vélica era posible adaptarse eficazmente a mayores intensidades de viento, pero con fuertes vientos esto debía haber consistido una tarea ingente. Al menos dos aspas debían situarse en posición vertical y frenar el giro para que el molinero, trepando a las aspas, pudiera plegar la tela. Con el riesgo de que si fallaba el freno mientras el molinero se encontraba en el aspa, esto lo podría poner en difícil situación. Izar y plegar las lonas de las cuatro aspas también era una labor obligada al principio y al final de cada jornada de trabajo.

Durante la segunda mitad del siglo XVIII, se desarrollaron varias técnicas complejas, pero eficaces que posibilitaron que un molino de viento tradicional funcionara con poca atención, al menos en lo que concierne a cambios en la intensidad y dirección del viento. En 1745, el herrero Inglés Edmund Lee inventó el “autoregulador de dirección” o “veleta”, un dispositivo que orienta automáticamente la posición de los molinos frente al viento. Consistía en una cola de milano (dos colas de milano para las grandes molinos de viento) y un engranaje.

Durante la segunda mitad del siglo XVIII, se desarrollaron varias técnicas complejas, pero eficaces que posibilitaron que un molino de viento tradicional funcionara con poca atención

Una cola de milano se puede describir como un molino de viento auxiliar que se instala detrás de las aspas, en un ángulo recto con ellas. Si la dirección del viento cambia , al llegar a la cola de milano, hace girar el molino hasta que las velas principales se sitúan de nuevo frente al viento. La cola de milano está conectada una rueda móvil en la tapa de la torre (en el caso de un molino de torre, por encima) o alrededor del edificio (en el caso de un molino de poste, ver foto). Las colas de milano posteriormente fueron utilizadas para las bombas de agua eólicas en los EE UU, pero como estos artefactos son muy ligeros no necesitan de ningún engranaje para orientarse.

Imagen: Una cola de milano. Fuente: Wikipedia Commons.

La veleta no sólo hizo que el manejo del molino fuera mucho más fácil, sino que también contribuyó a aumentar la potencia de salida ya que parte sustancial de la energía se perdía debido a las pequeñas variaciones en la dirección del viento, pues el molinero no siempre tenía tiempo (o ganas) para adecuar el molino de viento a cada pequeño cambio.

Control automático de: velas de resorte y de patente

Casi al mismo tiempo que se inventaron la cola de milano y el regulador de viento, aparecieron unos mecanismos que tenían como objetivo adaptar automáticamente las aspas a los vientos variables.

Esto permitió en 1772 el desarrollo de las llamadas “aspas de resorte”, inventadas por el constructor de molinos escocés Andrew Meikle. En las aspas de resorte, la lona se sustituye por decenas de lamas como las de una cortina veneciana. Cada una de las lamas es controlada por un resorte.

Cuando el viento aumenta, supera la fuerza del resorte y libera la lama, dejando que el viento circule a través y provoque la desaceleración de las aspas. Cuanto más fuerte sea el viento, más lamas se abren. Cuando la velocidad del viento disminuye, los resortes cierran las lamas, que unidas forman de nuevo una superficie uniforme. Todo este proceso facilita que las aspas giren con una velocidad de rotación similar a cualquier intensidad del viento.

Imagen: Las aspas de patente.

Imagen: Aspas de resorte.

Image: Controlador de giro de aspas.

El problema con las aspas de resorte es que las tensiones de los muelles (que están todos conectados entre sí mediante un largo listón) tienen que ser ajustados previamente en función de la velocidad del viento esperado y la potencia requerida. Una vez establecido, no es posible hacer ajustes, mientras las aspas giran.

Esto fue resuelto en 1789 por Stephen Hooper, quien introdujo unas lamas que podían ajustarse desde el suelo, manualmente, mediante una cadena sin necesidad de parar el molino (“controlador de giro de aspas”). El sistema, sin embargo, era demasiado complicado. La mejora definitiva a las aspas de lamas regulables llegó en 1807 cuando William Cubit unió unos contrapesos a la cadena de ajuste de las aspas de resorte, que hacía que el control de las aspas fuese totalmente automático, sin la complejidad del método de Hooper – éstas fueron llamadas aspas de patente.

Aspas de Berton

El único problema que resultaba era que las aspas de patente tenían un rendimiento más bajo que las aspas normales, a resultas era común que se combinaran dos aspas de patente con dos aspas normales como un compromiso entre la manipulación y la eficiencia. En 1848, el francés Berton sustituyó las múltiples lamas pequeñas por un menor número de lamas que operan longitudinalmente de acuerdo con el mismo principio, un método interesante que contribuía a una construcción más sólida y a un mejor rendimiento aerodinámico (“Velas Berton)“, ver imagen abajo).

Imagen: Aspas de Berton.

Además, el sistema podía ser ajustado por el molinero desde el interior del molino. En 1860, Catchpole introdujo los frenos de neumáticos, que eran un medio muy eficaz para frenar automáticamente las velas en un vendaval. En el interior del molino, un regulador centrífugo automático sustituyó al regulador manual de la distancia entre las piedras de molienda.

El molinero trabajaba día y noche cuando había una buena brisa. Los molineros estaban exentos, incluso, del obligado reposo del domingo. Del mismo modo que con la aparición de la cola de milano, los reguladores de aspas no sólo mejorararon el manejo del molino de viento, sino también la potencia de salida. Al desaparecer la necesidad de que el molinero estuviera de pie en el suelo para fijar o desplegar las velas, el eje de las aspas podía ser instalado más alto con lo que el molino podía beneficiarse de intensidades del viento superiores (los holandeses habían resuelto este problema antes gracias a la construcción de molinos torre, donde las aspas situadas a mayor altura podían ser practicables desde una plataforma elevada).

Por supuesto, los reguladores de aspas y otros sistemas automáticos no resolvían el problema de la ausencia de viento – es por eso que el molinero trabajaba día y noche cuando había una buena brisa. Los molineros estaban exentos, incluso, del obligado reposo del domingo.

Potencia de salida de un molino de viento

Otra mejora importante fue la introducción del hierro fundido en la fabricación del engranaje. Esto sucedió en 1755, sólo diez años después de la introducción del control de orientación, por John Smeaton. Durante siglos, todos los engranajes en el interior del molino eran de madera. De ello se derivaba una gran pérdida de energía.

Mediciones realizadas por los holandeses en la década de 1930, en un molino de viento de drenaje construido en 1648, mostró que el molino genera alrededor de 40 caballos de potencia en el eje principal pero sólo el 15,6 caballos de fuerza a las máquinas – una eficiencia de sólo el 39 por ciento. Casi dos tercios de la energía generada se pierde en la transmisión. Molinos de drenaje tenían un rendimiento ligeramente mayor, alrededor del 50 por ciento.

El uso de hierro fundido (y luego acero) no sólo mejoró la eficiencia de la maquinaria, sino que también permitió la construcción de grandes molinos de viento. El uso de la madera limitó el diámetro del aspa a unos 30 metros, medida común en el siglo XVII. La longitud máxima de un aspa (más del doble de la longitud de una pala) era de unos 30 metros, porque no había troncos más grandes disponibles. Sólo en la segunda mitad del siglo XIX llegó a ser utilizado el hierro para las velas y el eje principal.

Las innovaciones llegaron demasiado tarde

Lamentablemente, muchas de las importantes mejoras tecnológicas llegaron a los molinos de viento demasiado tarde. A finales del siglo XVIII, casi al mismo tiempo que estas innovaciones aparecían, un molino de maíz se pasaba de la energía eólica a la energía de vapor y acompañándole, el negro humo. Hacia 1850, los molinos movidos a vapor se hicieron comúnes y la importancia de los molinos de viento comenzó a disminuir. Para empeorar las cosas, las colas de milano, las aspas regulables y la rigidez del hierro que tanto había costado implantar, en muchos países y regiones, nunca se llegaron a utilizar.

La longitud máxima de un aspa (más del doble de la longitud de una pala) era de unos 30 metros, porque no había troncos más grandes disponibles. Las aspas Berton sólo se aplicaron en Francia, las aspas de patentes se utilizaron principalmente en Inglaterra. Aunque los ejes de hierro hubieran posibilitado la construcción de grandes aspas, eso nunca sucedió. El molino torre más alto jamás construido, lo fue enteramente en madera. Se encontraba en los Países Bajos y fue construido en 1899 (“De Hoop” o “La Esperanza” en Prinsenhagen, ahora la ciudad de Breda). Medía 38 metros de altura, con unas aspas de 27 metros de diámetro. La cubierta y las aspas fueron retirados en 1929, pero la torre aún puede verse.

El molino de viento más grande jamás construido

Los dos molinos de viento holandeses con el mayor diámetro de aspas, están en el Golden Gate Park, en San Francisco, construidos entre 1903 y 1905. El más grande de ellos, llamado “molino de viento Murphy”, alcanza 29 metros de alto con aspas de 35 metros de diámetro. Los ejes principales se obtuvieron de un único tronco – en los EE UU había árboles más grandes. Sin embargo, su maquinaria es de hierro fundido. Este molino bombea hasta 150.000 litros de agua por día para regar el parque. El molino de Murphy fue reemplazado por una bomba eléctrica años más tarde y empezó degradarse.

El declive de los molinos de viento fue lento, sobre todo en los Países Bajos – los holandeses incluso prefieren usar los molinos de viento, con máquinas de vapor auxiliar a molinos de vapor en su totalidad. En los Estados Unidos se construyeron más de 6 millones de bombas de agua impulsadas por el viento (con aspas anulares) entre los años 1850 y 1930. A pesar de todo algunos molinos de viento se levantaron después de 1900 en diferentes lugares. La atención se centró en las turbinas de viento generadoras de electricidad, y desde entonces, así ha sido.

Avances impresionantes en los años 1920 y 1930

En los años 1920 y 1930, sin embargo, cuando los molinos de viento habían dejado de trabajar en casi toda Europa, en Holanda se inició un programa de investigación que condujo a la evolución final de los clásicos molinos de viento. En 1923 se fundó la Sociedad Holandesa del Molino de viento, con el objetivo de mejorar el rendimiento de los molinos de viento generando energía mecánica. Entre los miembros fundadores estaban los hermanos Dekker, afamados constructores de molinos. Los resultados fueron espectaculares.

A finales de la década de los años 20 del pasado siglo, la potencia máxima de un molino de viento se duplicó desde 50 cv hasta 100 cv. A través de la aplicación de los principios de la aeronáutica y el uso de láminas de metal (básicamente equipando a los tradicionales molinos de viento con aspas similares a las de los aerogeneradores modernos) a finales de la década de los años 20 del pasado siglo, la potencia máxima de un molino de viento se duplicó desde 50 cv hasta 100 cv. En la década siguiente más de 70 molinos de viento fueron equipados con las nuevas “aspas Dekkerizadas”. Por otra parte, las mejoras en la maquinaria redujo las pérdidas de energía y permitió a estos molinos de viento generar mayor potencia a velocidades más bajas.

Duplicar la producción de energía

Las pruebas realizadas en 1939 por el Comité Prinsenmolen demostraron que un molino de viento mejorado podía empezar a girar con una velocidad del viento de 3,5 a 4 m/s en comparación con 5 a 6 m/s del los normales. A 5,5 m/s se observó que su potencia era igual a la de un molino normal a 8 m/s.

Esto significaba que, mientras que un molino de viento tradicional podría ser utilizado durante aproximadamente 2.671 horas al año en los Países Bajos, el nuevo diseño aerodinámico permitía operar un total de 4.442 horas al año, lo que significaba casi duplicar la producción anual de energía. El molino de viento mejorado tenía dos ventajas, una mayor producción a una velocidad del viento dada, y más horas de trabajo gracias a la posibilidad de utilización de vientos más suaves. El mayor rendimiento se extrajo de esta última cualidad , ya que con vientos más fuertes las aspas del molino de viento mejorado debían detenerse antes.

En los años 1920 y 1930, cuando los molinos de viento había dejado de trabajar en casi toda Europa, en Holanda se inició un programa de investigación que condujo a la evolución final de los clásicos molinos de viento.

Posteriores mejoras en la década de 1930 introducidas por Chris van Bussel, Kurt Bilau, GJ Ten Have, Van Riet, P.L. Fauël (foto de la izquierda), y Sabinin Yurieff, llevaron a un molino de viento, instalado en 1940 y demolido en 1960, a conseguir un máximo de dos veces y media la potencia de salida de los molinos de viento con las aspas tradicionales: 125 caballos de fuerza. Mas tarde, la Segunda Guerra Mundial detuvo nuevas investigaciones y después de la guerra, al igual que el resto del mundo, los holandeses dirigieron su atención a la generación de electricidad.

Volver a los molinos de viento tradicionales?

Hoy en día, los molinos de viento y ruedas hidráulicas que convierten directamente la energía cinética en energía mecánica se consideran obsoletos, y mientras algunos han sobrevivido, no tienen una función comercial en los países desarrollados. Las turbinas eólicas convierten la energía renovable ahora en electricidad, que más tarde podría volver a convertirse en energía mecánica.

Naturalmente, es imposible hacer funcionar un televisor de pantalla plana o un ordenador portátil con la energía mecánica, pero muchos otros procesos, aún podrían ser llevados a cabo de esta manera pasada de moda. El grano todavía debe molerse, la madera aún tiene que ser aserrada, las semillas todavía tienen que ser prensadas, pero ahora utilizamos electricidad para mover las máquinas que realizan el mismo proceso. Esta electricidad puede ser obtenida mediante modernos aerogeneradores, u otras fuentes de energía renovables, y ese es el futuro escenario que casi todo el mundo contempla.

Una conversión directa de la energía cinética en energía mecánica sería mucho mas eficiente porque hay menos pérdida de energía. Esto significa que debemos construir menos centrales de energía renovable para obtener el mismo trabajo realizado. Sin embargo, una conversión directa de la energía cinética en energía mecánica sería mucho mas eficiente porque hay menos pérdida de energía. Esto significa que debemos construir menos centrales de energía renovable para obtener el mismo trabajo realizado. Invertir unos cuantos millones en alta tecnología de aerogeneradores, cubrir los desiertos con plantas de energía solar y desarrollar una red inteligente suena atractivo, pero la cuestión es si hay suficientes materias primas, energía y recursos financieros disponibles para que estos sueños se hagan alguna vez realidad. Además, los molinos de viento que convierten la energía cinética directamente en trabajo mecánico pueden funcionar sin necesidad de tierras raras.

Molinos de viento tradicionales de alta tecnología

En un registro más positivo, los tradicionales molinos de viento podrían mejorarse enormemente con los materiales y conocimientos actuales. Los engranajes y las aspas pueden ser de acero o de aluminio, lo que mejoraría en gran manera su eficiencia, aparte de hacerlos resistentes al fuego. Muchos molinos de viento se incendiaron debido a la gran cantidad de madera usada en ellos. Por supuesto, también la maquinaria en el interior del molino podría hacerse ahora mucho más eficiente.

Los molinos de viento se pueden construir mucho más grandes y por lo tanto hacerlos más potentes. Para hacernos una idea, en 2005, los holandeses construyeron otro molino de viento tradicional, que generaba electricidad – el “Noletmolen” en Schiedam. Se encuentra a casi 42 metros de altura con aspas de 30 metros de diámetro, ligeramente inferior al molino de Murphy en San Francisco. Fue construido con intención promocional por una destilería (la ciudad cuenta con 5 molinos históricos construidos para producir ginebra holandesa). Aunque la planta no es realmente un “molino”, se construyó siguiendo un diseño tradicional, pero utilizando materiales de alta tecnología y velas. El resultado es una potencia de más de 200 caballos en el eje principal.

Una visión ecotech

La energía de respaldo o seguridad que un molino de viento tradicional necesita, puede ser entregada por un motor eléctrico en lugar de caballos (aunque podríamos trabajar solo cuando sopla el viento). No hay duda de que ahora, 70 años después, un ejército de ingenieros podría mejorar ostensiblemente las experiencias holandesas de la década de 1930. El resultado quizás no tendría el aspecto tan romántico como un molino de viento tradicional, pero a buen seguro que ser¡a muy útil.

Naturalmente, todo esto no pretende ser un alegato para eliminar la producción de electricidad, los aerogeneradores, o por ir más allá, toda la infraestructura eléctrica. Si bien es cierto que algunos procesos podrían ser energéticamente más eficientes si se hiciera una conversión directa de la energ¡a cinética en energ¡a mecánica.

Fuentes:

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“European Route of Industrial Heritages”