Recientes avances y desafíos de la tecnología eólica

Los sitios óptimos para producir energía eólica no son abundantes por lo que la fabricación de nuevos y más eficientes generadores es todo un desafío. En los últimos tiempos las tendencias apuntan al reacondicionamiento de los parques existentes, estrategia con la cual puede conseguirse aumentar el rendimiento de 5 a 10. Esto significa que las turbinas más antiguas y desfasadas deben ser sustituidas por sus equivalentes más modernas y eficientes. En este artículo vamos a hablar brevemente de las últimas tecnologías y avances sobre los que se está trabajando en generación de energía eólica. Los principales desafíos de la industria eólica son ahorro de costes, generación eólica marina, integración de redes de distribución y adaptación al medio ambiente. Respecto a la integración en la red se trabaja en la investigación de plantas virtuales (Virtual Power Plant, VPP) y el desarrollo de redes inteligentes (e-grid o smart grid). Entre los desafíos de diseño para el futuro entre los más importantes destacamos reducción de la carga, prolongación de la vida útil, y la aplicación de nuevos materiales y métodos de producción. Entre las mejoras conseguidas destacamos la disminución de la masa del cabezal. Otro de los campos de investigación es el aumento de la vida operacional de las turbinas, las cuales se diseñan bajo un esquema operacional de veinte años. Para entender la importancia de la vida útil de las turbinas eólicas podemos comparar con la vida útil de un vehículo. Los coches con una vida útil de 250.000 km cubren aproximadamente 4.000 horas de funcionamiento. En contraste, las turbinas eólicas se diseñan aproximadamente para 160.000 horas operacionales, lo cual supone la aparición de unas exigentes condiciones. Si estas condiciones no se cumplen, las 160.000 horas operacionales son simplemente inalcanzables. En aplicaciones marinas las exigencias son aún mayores, por lo que debe considerarse la fiabilidad realzada, el desarrollo de estrategias de mantenimiento dedicado y optimización de la estructura de cimentación. Otra cuestión clave es la reducción del riesgo económico operacional para lo cual deben hacerse predicciones de producción de energía eólica a largo plazo. Pero para estudiar la integración de la energía eólica en las redes de distribución y transporte deben utilizarse predicciones de energía eólica en el corto plazo. Sobre el tamaño de los aerogeneradores y los aerogeneradores gigantes Los beneficios del factor escala para mejorar la productividad han impulsado en los últimos años una carrera en la que el premio es conseguir el máximo tamaño de las turbinas. Como consecuencia de ello, en el periodo 1976-2006 la capacidad de las turbinas ha aumentado exponencialmente. Actualmente la meta es conseguir turbinas de 10 Mw, pero por ahora tan sólo dos fabricantes han llegado hasta los 6 Mw – la segunda generación semicomercial Enercon E-126 (diámetro del rotor de 127 m), y el prototipo REpower 6M (diámetro del rotor 126 m). Otros prototipos están escalando hasta los 6,5 y los 7 Mw. Pero el gigante de los aerogeneradores es el anuncio de Clipper Britannia, que está desarrollando una turbina marina de 10 Mw (diámetro del rotor de 150 m).

Reducción de masa

Las turbinas con tres álabes de rotor con control pitch y operación de velocidad variable son la tecnología actual de generación eólica. Pero en generadores marinos hay opciones para usar sistemas de dos álabes, consiguiendo disminuir con ellos la complejidad del montaje. Los rotores de dos álabes giran a más velocidad y son más ruidosos, pero ello no es un problema en ambientes marinos. Los sistemas de trenes de transmisión de las turbinas eólicas pueden ser de transmisión directa (sin caja de engranajes) o transmisiones con engranajes, determinando un aerogenerador monoetapa de baja velocidad (Multibrid) o con caja de engranajes de alta velocidad. Como consecuencia de las tendencias de escala en la fabricación de aerogeneradores, las cargas del tren de transmisión (Nm) que pasan a través del engranaje de la turbina se han incrementado dramáticamente desde 1990. El valor del par específico de la masa se ha incrementado desde 5 Nm/kg en 1990, a 7,3 Nm/kg en 1996, 11 Nm/kg en 2002 y hasta 15,5 Nm/kg en 2008. Estas exigencias han podido también reducir los factores de seguridad, y se han detectado fallos que pueden ser inaceptables.

Factores de limitación del tamaño del rotor

Otro factor limitante en el crecimiento futuro de las turbinas es el tamaño del rotor. Algunos de estos factores están son la logística del transporte y problemas de ensamblaje (longitud y masa), y otros se deben a la velocidad de la punta de los álabes del rotor (ruido, erosión, momento de inercia transversal). Las limitaciones de fabricación (espesor del material, imperfecciones relacionadas con la producción, métodos de control de calidad, etc.). Otros factores críticos que pueden frenar el desarrollo de las turbinas son las propiedades del material y la rigidez de los componentes. Cuando el tamaño del rotor se incrementa, los materiales trabajando conjuntamente tienden a introducir elasticidad creciente. Este fenómeno debe tomarse muy en cuenta. Los “Condition monitoring (CM) systems” están ganando peso en las turbinas eólicas, pero esta tecnología solamente reacciona ante fallos próximos. Los sistemas CM no contribuyen por ello a resolver fallos de diseño.

Fuente:

• Fraunhofer Institute for Wind Energy.
• Speaking of winds. Renewable energy world magazine. January/February 2009.

Palabras clave: Grid integration, operational economic risk, long-term wind energy yield predictions, short-term wind power predictions, pitch-controlled rotor blades, pitch-controlled rotor blades, wind turbine drive train system.