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El futuro de los aerogeneradores

Álvaro Matesanz, Product Senior Specialist en Vestas Wind Systems

La alta competitividad actual en el negocio eólico ha espoleado a la industria en su deseo de obtener soluciones cada vez mejores para sus clientes. Los fabricantes de aerogeneradores se han embarcado en una serie de actividades orientadas a disminuir el coste de la energía, es decir, el coste ponderado por megavatio hora producido, primer parámetro utilizado a la hora de decidir entre distintos modelos.

 

Un aerogenerador es simplemente un convertidor de energía. El rotor convierte la energía cinética del aire en mecánica, esta es posteriormente transformada en energía eléctrica por el generador y, finalmente, es puesta a disposición del usuario a través de la red de distribución. Por tanto, la mejora desde el punto de vista de producción puede llegar únicamente gracias a potenciales mejoras en eficiencia aerodinámica y eléctrica del aerogenerador.

La otra parte de la ecuación que necesitamos para definir el coste de la energía es el precio del propio producto, incluyendo la parte correspondiente a la operación y al mantenimiento. Una mejora de esta variable en cualquiera de los componentes del aerogenerador disminuirá el coste de la energía producida por el mismo. Para reducir precios, una alternativa es adaptar los productos a las condiciones particulares del emplazamiento donde se van a instalar, trabajando sobre el diseño de torres y/o cimentaciones específicas, por ejemplo. Sin embargo, para obtener reducciones más importantes en los distintos componentes es preciso desarrollar nuevos materiales, invertir en mejorar los procesos de fabricación o reducir las cargas de los componentes manteniendo la producción constante. En todo este proceso no se debe olvidar la factibilidad de producción y la mantenibilidad de los productos.

Una vez hemos identificado las distintas alternativas para la mejora de los aerogeneradores, podemos intentar adivinar qué va a ocurrir en los próximos años.


Eficiencia aerodinámica
Los procedimientos actuales de diseño aerodinámico fueron desarrollados a mediados del siglo pasado, por lo que podríamos pensar que una mejora de esa formulación sería clave para obtener un salto cualitativo en la eficiencia. Lamentablemente, el margen de mejora en este campo es muy reducido: En 1919, Albert Betz publicó un artículo en el que demostraba que la proporción máxima de energía extraíble del aire tiene un valor de 59,3%. Este valor se obtiene en condiciones óptimas de funcionamiento, con un número infinito de palas, sin resistencia aerodinámica, etc. Cuando se introducen esos fenómenos reales, la proporción máxima de energía extraíble se reduce considerablemente. En la actualidad los aerogeneradores están cerca del 50%, lo que los sitúa relativamente cerca de su máximo teórico.

Por otra parte, las tecnologías necesarias para incrementar la eficiencia aerodinámica llevan aplicándose en el campo aeronáutico durante décadas: palas de geometría variable, succión de capa límite, alerones o dispositivos hipersustentadores, entre otras, podrían aumentar un 3-5% la producción gracias a la mejora de la eficiencia aerodinámica, pero encarecerían el aerogenerador de manera desproporcionada. Por eso ninguno de estos artilugios, ampliamente empleados en aviones, ha dado el salto a un aerogenerador comercial.

Los aerogeneradores actuales ya incorporan elementos aerodinámicos pasivos que incrementan su eficiencia. Con estos dispositivos se pueden alcanzar mejoras del orden del 1% con un coste muy reducido.


Eficiencia eléctrica
Los componentes eléctricos del aerogenerador podrían mejorarse mediante la aplicación de técnicas como la superconducción para reducir las pérdidas de estos.  Sin embargo, esos procedimientos no están desarrollados lo suficiente desde un punto de vista industrial como para pensar que puedan utilizarse en los próximos diez años. En cualquier caso, hay que recordar que los rendimientos eléctricos a potencia nominal de los aerogeneradores actuales están cerca del 95%, por lo que su margen de mejora es incluso más reducido que en el caso de los aerodinámicos.


Nuevos materiales para reducir costes
La introducción de nuevos materiales en la industria eólica se realizará por dos razones fundamentales: la primera es la reducción de costes y la segunda la mejora del impacto medioambiental de algunos componentes. A continuación, se analizarán los cambios debidos a la primera razón, ya que los originados por la segunda dependen fundamentalmente de cambios legislativos.

Si repasáramos la historia de la ingeniería, veríamos que los grandes cambios en diseño siempre han venido asociados a cambios en materiales: el automóvil solamente pudo generalizarse cuando se encontraron materiales que permitieron su fabricación en masa; los aviones de fuselaje ancho solo fueron posibles cuando se desarrollaron materiales que permitieron su diseño.

Materiales como el grafeno, estructuras metálicas monocristalinas, nanotubos, etc. están siendo intensamente investigados en la actualidad, pero su uso generalizado en la industria se percibe todavía como lejano. Siguiendo la evolución natural observada hasta ahora en la tecnología de materiales, las primeras aplicaciones se verán en la industria aeroespacial y de defensa, luego pasarán a la industria aeronáutica civil y por fin se generalizarán en otras industrias. Actualmente esos materiales ni siquiera están siendo utilizados en la industria aeronáutica civil, por lo que sería muy extraño observarlos en los aerogeneradores durante la próxima década.


Procesos de fabricación
Los procesos de fabricación aplicados en la industria eólica se encuentran entre los más optimizados, por lo que su margen de mejora, manteniendo los materiales actuales, es también bastante reducido. Se apreciarán incrementos de la productividad debido al efecto de la economía de escala y la reducción de necesidades logísticas, entre otras, pero estos incrementos serán graduales y del orden de los anteriormente estudiados para los componentes.

Por tanto, nos encontramos en una situación en la que no se prevén grandes cambios ni en los componentes ni en los materiales y, sin embargo, se espera una reducción apreciable del coste de la energía. El lector puede preguntarse como será posible solucionar esa aparente contradicción.

La respuesta a esa pregunta se encuentra en la mejora continua de los sistemas de control de los aerogeneradores. En un pasado no tan lejano, estos convertidores de energía utilizaban algoritmos de control extremadamente sencillos y desconocían casi completamente las condiciones en las que estaban funcionando. Un anemómetro y una veleta proporcionaban las señales de velocidad y dirección del flujo, el resto era un enigma.


Mejoras en los sistemas de control
Actualmente los sistemas de control se están optimizando para permitir a los aerogeneradores adaptarse a las condiciones de la estructura del viento que los mueve. Esto solo es posible mediante la inclusión de nuevos sensores que proporcionen toda la información que requiera el controlador. Hoy, los aerogeneradores están siendo equipados con instrumentación que les permiten conocer las cargas en palas y en otros componentes, y tienen acelerómetros que les proporcionan información acerca de los movimientos que están sufriendo. Algunos aerogeneradores ya pueden monitorizar su rendimiento en función de distintas variables y corregir posibles problemas de desalineamiento que reducen su capacidad de generación. En el futuro se generalizarán los sistemas de medida remota tales como el LIDAR, para permitir que el aerogenerador sea capaz de anticiparse a las condiciones del flujo que le está a punto de llegar.

Los nuevos sistemas de control también provocarán un cambio normativo de los requisitos de diseño. Aquellos aerogeneradores que dispongan de capacidad de adaptación podrían tener un tratamiento mejor que los que no estén dotados de esa característica. La nueva generación de aerogeneradores tendrá información suficiente y con la anticipación necesaria para responder de una manera más racional que las máquinas actuales. El resultado final será la utilización eficiente de todos los materiales que componen el aerogenerador.

La mejora de la capacidad de control permitirá el crecimiento de las palas incluso sin cambiar de tecnología de materiales. En la actualidad, la longitud de las palas se encuentra físicamente limitado por el acercamiento que se produce entre las frecuencias propias de torsión y flexión. Ese acercamiento podría producir un grave acoplamiento estructural conocido como flameo y que actualmente es evitado por la separación entre frecuencias. Un mejor control del aerogenerador permitiría que ese margen de separación se redujera facilitando un incremento en la longitud sin costes exorbitados.

La integración de todos estos sensores en unos controladores robustos y eficaces supone un gran reto tecnológico, no solo para las industrias sino también para las universidades y otros centros de investigación. En esencia, aquellas empresas capaces de diseñar los aerogeneradores más adaptables también podrán disminuir el coste de la energía, lo que les permitirá dominar el mercado en el futuro.

Artículos sobre eólica | 22 de marzo de 2019

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