La comparación proporciona información sobre las tendencias futuras de la energía eólica marina.
Nuevos estudios que aprovechan los diseños conceptuales de aerogeneradores marinos apuntan a cómo sus transmisiones podrían cambiar en un futuro cercano para producir más energía y al mismo tiempo reducir los costes, según un nuevo artículo del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU. y General Electric. Investigación.
“Los fabricantes de aerogeneradores marinos a menudo adoptan opciones conservadoras para mitigar el riesgo. A nadie le gusta agitar el barco”, dijo Garrett Barter, quien dirige el programa de investigación de Ingeniería de Sistemas Eólicos en NREL. “Si encuentran una tecnología que funciona, la siguen usando mientras aumentan el tamaño de la turbina. Sin embargo, el tamaño de las turbinas eólicas ha aumentado tanto que los fabricantes podrían tener que cambiar las cosas pronto, y la transmisión es una de las cosas que están bajo escrutinio”.
Barter es el autor principal de un nuevo artículo, «Más allá de 15 MW: una perspectiva del costo de la energía en la próxima generación de tecnologías de transmisión para turbinas eólicas marinas», que aparece en la edición de agosto de la revista Applied Energy. Él y sus colegas detallaron cómo diseñaron turbinas eólicas marinas conceptuales para proporcionar la comparación más justa entre las tecnologías de transmisión. Los otros coautores de NREL son Latha Sethuraman, Pietro Bortolotti y Jonathan Keller.
El tren motriz de una turbina eólica está compuesto por la caja de cambios y el generador, los componentes necesarios que necesita una turbina para producir electricidad. La caja de cambios es responsable de conectar el eje de baja velocidad conectado a las palas de la turbina con el eje de alta velocidad conectado al generador. La configuración del tren motriz-generador afecta directamente el rendimiento general de la turbina eólica, así como los costos. El propósito de la investigación fue determinar qué tecnología de transmisión sería la más rentable a medida que aumentara el tamaño de la turbina eólica y si la respuesta es la misma para cimientos flotantes y de fondo fijo.
Las turbinas eólicas funcionan con cualquiera de dos tipos de transmisiones. Uno, denominado engranado, usa un generador conectado a una caja de engranajes, que puede ser un componente de alto mantenimiento debido a sus muchas partes móviles. El otro, un accionamiento directo, requiere generadores más grandes, lo que tradicionalmente significa imanes de tierras raras más grandes que pueden ser costosos. El estudio también consideró generadores superconductores de accionamiento directo, que utilizan imanes superconductores mantenidos a muy baja temperatura y no dependen de materiales de tierras raras. Esta tecnología se encuentra comúnmente en máquinas de resonancia magnética, pero aún no se ha industrializado para turbinas eólicas comerciales.
La flota actual de aerogeneradores frente a las costas de los Estados Unidos puede generar más de 40 megavatios de electricidad, pero el objetivo del gobierno federal es aumentar ese número de manera significativa, a 30 gigavatios para 2030. Un aumento tan espectacular en los objetivos de implementación, junto con Las presiones del mercado están empujando a los fabricantes a diseñar turbinas más grandes y potentes.
La capacidad promedio de turbinas eólicas marinas instaladas en 2021 fue de 7,4 megavatios, según el Informe del mercado eólico marino, y el número tiende a aumentar.
Bortolotti dijo que las turbinas eólicas con una capacidad de 15 megavatios se encuentran en varias etapas de desarrollo, pero aquellas que adoptan una configuración de propulsión directa requieren generadores que “se vuelven muy grandes y pesados muy rápidamente en estas escalas extremas. Si realmente vamos a ir más allá de los 15 megavatios, ¿será una carga un generador de accionamiento directo? ¿Va a ser un cuello de botella? Y si es así, ¿existen alternativas o tecnologías que tal vez podamos cambiar para facilitar ese tipo de crecimiento?
Para determinar los diseños óptimos para turbinas más potentes, los investigadores diseñaron conceptualmente tres tecnologías de transmisión con cinco potencias diferentes que van desde 15 megavatios a 25 megavatios para cimientos tanto de fondo fijo como flotantes. El uso de un software desarrollado en NREL llamado Modelo de Ingeniería y Diseño de Sistemas Integrados de Plantas Eólicas (WISDEM) permitió a los investigadores crear 30 puntos de diseño únicos.
El diseño con el costo de energía nivelado más bajo (LCOE) acopló una caja de cambios de velocidad media a un generador síncrono de imanes permanentes (MS-PMSG). Se estima que el LCOE para esta tecnología es hasta un 7% menor para los diseños de fondo fijo y flotante en comparación con una configuración de transmisión directa más común, siempre que la caja de cambios no aumente significativamente los costos de mantenimiento. El análisis supone que los costos de mantenimiento son idénticos en todas las tecnologías de transmisión y generador y constantes en las diferentes potencias nominales, pero el LCOE es bastante sensible a los costos de mantenimiento. Entre el PMSG y las soluciones superconductoras de accionamiento directo, estas últimas generaron ahorros de LCOE que oscilaron entre el 2% y el 5%, según la calificación. Los generadores superconductores fueron más beneficiosos en las turbinas eólicas flotantes que en las de fondo fijo.
«Con estos conceptos de diseño, debido a que ninguno de ellos se ha construido realmente, la velocidad media parece bastante buena desde el punto de vista del costo nivelado de la energía», dijo Barter. “Pero si empezamos a decir bueno, la velocidad media puede tener un costo de mantenimiento más alto que las de tracción directa porque hay una caja de cambios, no sabemos cuánto va a ser ese aumento en el costo de mantenimiento. Dado que no sabemos exactamente cuál es la diferencia o cuál será la carga de mantenimiento de un nuevo generador superconductor, ahí es donde está la advertencia. Los generadores superconductores plantean preguntas similares sobre el mantenimiento y la confiabilidad, pero también ofrecen una alternativa prometedora para las configuraciones de transmisión directa”.
El coautor del artículo que no pertenece al NREL es David Torrey de General Electric Research. El Departamento de Energía de EE. UU. está financiando parcialmente los esfuerzos de la compañía para desarrollar y construir un generador superconductor liviano. Para el despliegue en aguas oceánicas más profundas, como en algunas áreas a lo largo de la costa atlántica y en toda la costa del Pacífico, las turbinas eólicas deberán construirse sobre plataformas flotantes y, por lo tanto, el peso se convierte en un problema.
«Para la energía eólica marina flotante, la cantidad de peso que hay en la parte superior de la torre es realmente fundamental para mantenerla lo más bajo control posible», dijo Barter. «Si pudiéramos desarrollar algunas de estas nuevas tecnologías de generadores, tal vez eso haría que la energía eólica marina flotante fuera más económica».
La Oficina de Tecnologías de Energía Eólica del Departamento de Energía de EE. UU. financió la investigación.
Por Wayne Hicks, cortesía de NREL.
