Hacia la turbina eólica de 20 MW

El desarrollo de las energías alternativas no parece tener límite y el esfuerzo investigador de los últimos años está dando ya su fruto. En las turbinas eólicas hace poco tiempo que estábamos hablando del desarrollo de unidades con unos pocos megas y ahora se avista en el horizonte un gigante de 20 Mw.

Un proyecto de investigación está explorando los límites del diseño potencial de la energía eólica tratando de averiguar hasta donde podemos llegar.

La industria eólica está trabajando en dos trayectorias en paralelas para la reducción de costes: En primer lugar, innovación incremental, mirando la reducción de costes a través de la economía de escala, con una mejora continua de los métodos de fabricación e instalación; en segundo lugar, buscando nuevos productos entre los que se encuentran las turbinas offshore.

Uno de los proyectos destacables en la Unión Europea es UpWind Project, que está explorando ambas trayectorias. Los iniciadores de UpWind Project comprendieron que las disciplinas de la tecnología eólica estaban demasiado fragmentadas, y no estaban disponibles métodos de diseño integrados verificables. Se estaba perdiendo conocimiento en áreas prioritarias, por ejemplo en cargas externas; donde el equipo de medición no era lo bastante exacto y rápido, y no se tomaban en consideración factores como la minimización de costes de la energía (conexión a red, cimentaciones, interacciones en los parques eólicos, etc.).

Más que buscar una solución óptima, UpWind Project explora las diferentes soluciones de alto potencial que integradas tienen potencial en la reducción de los costes de la energía. Una turbina eólica optimizada es el resultado de la combinación de requerimientos en términos de eficiencia en producción de electricidad, fiabilidad, acceso, transporte y almacenaje, instalación, visibilidad apoyo a la red eléctrica, emisión de ruido, coste, etc. UpWind se enfoca en la turbina eólica como componente esencial de una planta de generación.

Buscando la turbina eólica de 20 MW

UpWind estableció como referencia inicial la turbina eólica de 5 MW, posteriormente subió a 10 MW y después a 20 MW.

Inicialmente el diseño de una turbina de 20 MW se consideraba casi imposible de fabricar y no rentable. Esta turbina pesaría 800 toneladas y la torre sería tan alta que es imposible almacenarla o instalarla en el mar.

Las estructuras de soporte para transportar tales masas, colocadas a 153 m de altura, no son factibles de fabricar en masa hoy en día. La longitud de las aspas sería de 120 m, lo cual supondría una estructura de material compuesta jamás fabricada en el mundo que no puede ser fabricado en una sola pieza con la tecnología de hoy.

El espesor de la pared de las aspas superaría los 30 cm, lo cual supone restricciones por el calentamiento del núcleo de material interior durante el proceso de fabricación, y la longitud de las aspas requeriría nuevos tipos de fibras para resistir las cargas.

La turbina eólica de 20 MW

El concepto de 20 MW partía de un diseño no factible por problemas con el peso y las cargas, pero en el proyecto se buscaba un sistema inteligente, fiable, accesible, eficiente y de peso ligero.

Se analizaron los materiales de la turbina eólica, optimizando la micro-estructura de los materiales de las aspas para desarrollar aspas más fuertes y más ligeras. Las cargas de fatiga también deben ser reducidas de forma que puedan construirse aspas más grandes y más ligeras. También se mejoraron las cualidades aerodinámicas y aeroelásticas de los modelos. También se avanzó en el conocimiento de la mitigación de carga y modelización del ruido.

UpWind demostró que los diseños de aspas avanzados pueden reducir las cargas en un 10 %. Otro paso en el que se avanzó fue la aplicación de control de aspas aerodinámico distribuido.

Las cargas de fatiga de las aspas pueden reducirse en un 20 – 40 %. Varios dispositivos pueden utilizarse para conseguir esto, tales como trailing edge flaps, control de arqueo, jets sintético, micro tabs, o acoplamientos de la raíz de las aspas flexibles o controlables.

Además de reducir las cargas se requieren estrategias de control del rotor avanzadas. Estas estrategias de control se tendrán en cuenta en el diseño de las estructuras de soporte offshore. El proyecto UpWind demostró que el pitching individual de las aspas puede disminuir las cargas de fatiga en un 20 – 30 %.

Las estrategias de control avanzadas de las aspas inteligentes usan sensores que permiten disminuir las cargas considerablemente, y en consecuencia desarrollarse estructuras más ligeras.

Cimentaciones de aguas profundas

También se han hecho progresos en el análisis de cimentaciones en aguas profundas, incluyendo el desarrollo de técnicas de modelización avanzadas y realzar los estándar de diseño actuales que, por ejemplo, llegan a ser muy importantes para los diseños flotantes.

Bibliografía: Design Limits and Solutions reaching the 20 MW Turbine. Wind Technology. Renewable Energy World May 2011