El proyecto KONFLOT tiene como objetivo aplicar metodologías de co-diseño de control en aerogeneradores flotantes y convertidores de energía de las olas. En su desarrollo colaboran TECNALIA como coordinador, BCAM, IKERLAN, MONDRAGON UNIBERTSITATEA, UPV/EHU y la ASOCIACIÓN CLUSTER ENERGÍA. El proyecto está subvencionado por el Departamento de Desarrollo Económico, Sostenibilidad y Medio Ambiente del Gobierno Vasco a través del programa ELKARTEK.
El proyecto KONFLOT “Co-diseño de control de energías renovables flotantes” ha alcanzado los primeros resultados. Este proyecto nace en el 2022 con el objetivo de establecer una metodología de co-diseño de control (CCD, de sus siglas en inglés), que permita desarrollar tecnologías optimizadas en costes considerando las estrategias de control como eje principal del diseño de los sistemas de generación renovable flotantes, como son los aerogeneradores flotantes y los convertidores de energía de las olas.
Para lograr esas capacidades es necesario optimizar los sistemas flotantes, lo que actualmente es una tarea ardua al no considerar las interacciones entre los subsistemas desde la fase del diseño. El proyecto KONFLOT propone sustituir el diseño secuencial utilizado hasta la fecha para que las diferentes disciplinas implicadas trabajen de manera concurrente desde el inicio. Según el principal investigador en CCD, Mario García-Sanz, responsable de programas de investigación en ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy, USA), las técnicas de CCD que se proponen en el proyecto podrían ayudar a reducir el LCOE (Levelized Cost Of Energy) hasta un 45%.
Con el fin de dar respuesta al reto que se plantea, durante su primer año de desarrollo el consorcio de KONFLOT se ha centrado en la preparación de los casos de estudio en los que se va a probar la metodología del co-diseño, así como en la generación de material y los conocimientos necesarios para su aplicación. Se han definido íntegramente los casos de estudio de energía eólica flotante y energía de las olas. También se ha definido la mejor estrategia de implementación de las iteraciones de diseño y control hasta la definición de una metodología que se está integrando en una herramienta software. En esta fase, se han desarrollado los modelos reducidos que permitirán acelerar los primeros pasos del co-diseño, y definido los modelos de alto nivel contra los que se validarán los resultados.
Caso de estudio de aerogenerador flotante (FOWT, de sus siglas en inglés)
TECNALIA ha coordinado la tarea de definir el caso de estudio para probar la metodología de CCD en eólica flotante, en la que también han colaborado IKERLAN y la UPV/EHU. Están desarrollando una herramienta flexible y modular que permita validar la metodología mediante un caso de estudio en el marco del proyecto KONFLOT, y que facilite en un futuro su adaptación para probar otros casos (otras topologías, controles, variables de diseño, condiciones de la localización o métricas objetivo) diferentes a las seleccionadas en esta primera fase.
Se ha considerado que el CCD anidado es más adecuado para su aplicación en KONFLOT por lo que la metodología de diseño realizará en cada iteración una primera optimización de los parámetros de la planta para posteriormente ajustar los parámetros de control adecuados a ese diseño. Una vez establecida la metodología, se ha procedido a la identificación de las estrategias de control más adecuadas.
A pesar de que la metodología de CCD considera todos los subsistemas, sus dinámicas e interacción entre ellos, computacionalmente es complejo. Por ello, para validar la efectividad de la metodología, se ha decidido trabajar únicamente sobre el subsistema plataforma. Esta decisión se justifica por la existencia de diversas ingenierías de diseño de plataformas potenciales usuarios de estas tecnologías, tales como SAITEC, NAUTILUS o SENER. Al no disponer de un modelo de aerogenerador real sobre el que validar las herramientas generadas en KONFLOT, éstas se aplicarán sobre un modelo de plataforma académico y de libre acceso, como es la plataforma UMaine VolturnUS-S, desarrollada por la Universidad de Maine y posteriormente modelada por el Centro tecnológico americano NREL para incluir su dinámica en OpenFAST.La plataforma seleccionada, de tipo semi sumergible, consiste en un flotador de acero tri-columna (120º) con torre centrada, lastre pasivo y tres líneas de fondeo, mientras que el aerogenerador instalado es de eje horizontal de 15MW de potencia (modelo público IEA15MW). Para determinar qué subsistemas entrarán en el bucle de optimización y cuales no, se ha realizado un ejercicio justificativo valorando criterios de complejidad de los modelos a desarrollar vs. impacto sobre las métricas objetivo. Los resultados que se han concluido son los siguientes:
- los subsistemas torre y flotador son optimizables por su influencia tanto en los costes totales cómo en la propia dinámica del conjunto,
- el control está condicionado a ser ajustado para cada uno de los diseños de la planta para maximizar la potencia extraída sin perjudicar a las cargas, por lo que también se considera como un subsistema optimizable y
- el subsistema de fondeos se ha considerado optimizable tras realizar un análisis en dominio del tiempo utilizando el modelo público OpenFAST. Se ha visto que las tensiones máximas en los puntos de anclaje se han dado en el caso de cargas de Condiciones de Operación Extremas en los que el control tiene influencia.
Una vez seleccionados los subsistemas, se ha realizado un análisis preliminar de la influencia de los diferentes parámetros de cada uno de ellos que afectan a la dinámica del FOWT y se han definido, para la primera versión de la herramienta, las siguientes variables de optimización:
- Plataforma: diámetro de la columna, radio de ejes de la columna, calado y espesor de la pontona
- Torre: distribución de diámetro y espesores
- Fondeos: longitud/pretensión y diámetro
- Control: estrategia de control (cada estrategia tiene diferentes parámetros a sintonizar)
De cara a realizar la optimización, BCAM está trabajando en la definición de una función objetivo donde se evalúan unas métricas que tendrán pesos flexibles para particularizarse en cada caso.
La localización seleccionada para el aerogenerador está al oeste de la isla Barra, Escocia. El emplazamiento se ha elegido por sus condiciones extremas. La plataforma se caracterizará para las condiciones meteoceánicas de LIFE50+.
En cuanto a los modelos que representarán la dinámica del FOWT, se han desarrollado dos caracterizaciones en paralelo. Por un lado, un modelo OPENFAST donde se han simulado los siguientes casos de carga: DLC 1.2 (Fatiga) Condiciones de operación normal, DLC 1.6 Condiciones de operación extremas y DLC 6.1 Condiciones de supervivencia. Por otro lado, un modelo dinámico reducido para utilizar tanto en la optimización como para el desarrollo de la estrategia de control. Ambos modelos se comunicarán mediante una herramienta que permite intercambiar el modelo de simulación entre el modelo reducido y el modelo OpenFAST. De esta forma, la metodología CCD se puede probar utilizando el modelo reducido para, posteriormente, validar el resultado obtenido con un modelo más complejo como es OpenFAST.
Caso de estudio de captador de energía de las olas (WEC, de sus siglas en inglés)
MONDRAGON UNIBERTSITATEA, como responsable del caso de estudio, está diseñando una metodología genérica de CCD que garantice la optimización en cualquier sistema de energía de olas, pero validándola para un caso de estudio respaldado por el Comité Asesor de KONFLOT, el sistema flotante de columna de agua oscilante (OWC, por sus siglas en inglés).
En la estrategia seleccionada para la metodología de co-diseño para el WEC existen dos bucles de optimización:
- bucle externo dedicado a la selección óptima de los parámetros de diseño y
- el bucle interno orientado a la maximización de energía mediante estrategias de control óptimo.
El caso de estudio se ha enmarcado dentro de los sistemas undimotrices basados en el principio de OWC, debido a las características del tejido industrial y de investigación del País Vasco, donde existen tanto un desarrollador de tecnología de referencia mundial como una infraestructura única en todo el mundo dedicadas a este tipo de tecnología como es la planta de Mutriku de BiMEP. Además, el dispositivo concreto seleccionado para el desarrollo de la metodología CCD es un captador flotante para el cual existe una gran cantidad de información pública: Sparbuoy OWC.
El captador seleccionado consiste en un dispositivo tipo spar genérico dividido en tres partes principales: una parte superior cilíndrica, una parte central también cilíndrica pero mucho más alargada, y una parte inferior semi-cónica. En cuanto a la turbina del sistema PTO (power take off), se ha establecido que debe de ser simétrica para poder operar con flujos de aire bi-direccionales. Debido a la complejidad de este tipo de sistemas, el caso de estudio se limita al análisis de turbinas de tipo Wells, que son las más habituales para los sistemas OWC. De todas formas, se espera analizar diferentes configuraciones de turbinas Wells, incluyendo aquellas que permitan un control activo. Por último, se ha definido que el sistema de fondeo tendrá entre tres y cuatro líneas.
La caracterización del sistema se divide en dos partes, para las cuales se han definido modelos numéricos de predicción del comportamiento. Así, estos modelos se dividen en dos: los referentes al captador y los referentes al sistema PTO. En ambos casos, se han definido dos tipos de modelos, uno más preciso pero computacionalmente más pesado, y otro computacionalmente mucho más eficiente, pero con una menor precisión a la hora de captar las distintas dinámicas de los sistemas. En consecuencia, los componentes o subsistemas seleccionados en este caso de estudio son:
- el captador o flotador spar,
- el sistema PTO y
- las líneas de fondeo.
Para cada subsistema, se han seleccionado ciertas variables a optimizar. La selección de estos parámetros y métricas utilizadas para la evaluación de las diferentes configuraciones tanto del captador como de la turbina se ha llevado a cabo de forma independiente:
- Captador flotante: diámetros interiores (superior e inferior), calado y espesor/masa.
- Sistema PTO: relación de diámetro externo/interno de la turbina, geometría del perfil del álabe a lo largo del eje radial, número de palas y velocidad de giro.
- Fondeos: slack, número de líneas y diámetro de las líneas.
Se han definido diferentes localizaciones en base a la profundidad del emplazamiento. Por un lado, para profundidades medias de 20 metros, se ha optado como BiMEP y EMEC como lugares de ensayo de plataformas en mar abierto. Por otro lado, para profundidades medias de 100 metros, se ha seleccionado el Golfo de Vizcaya y la Costa oeste de Portugal (Atlántico) como localizaciones en mar abierto.
Se han definido los casos de carga, los cuales se limitan a condiciones de producción de energía (operación normal). El primero, caracterización de emplazamientos en base a modelos climáticos calibrados y, el segundo, análisis de número de estados de mar mediante estrategias de clustering.
Conclusiones preliminares y próximos hitos de KONFLOT
Tras la definición de los casos de estudio descritos en el presente artículo, las entidades participantes en el proyecto KONFLOT han desarrollado el framework completo de la metodología de co-diseño de control, incluyendo toda una colección de modelos, algoritmos de control y métodos de optimización adaptados a los requisitos específicos de la metodología de co-diseño. El objetivo en este segundo año del proyecto es demostrar la metodología aplicándola en casos de estudio simplificados tanto para el caso de eólica flotante como dispositivo de energía de las olas. Esto permitirá validar la metodología para, en el futuro, poder continuar su desarrollo mediante la incorporación de aspectos adicionales pero críticos para el diseño, como la integridad estructural, mantenibilidad, fabricabilidad, etc. Los avances de KONFLOT tienen como objetivo optimizar el diseño de los aerogeneradores sobre plataformas flotantes (FOWT) y convertidores de energía de las olas (WEC), a fin de lograr LCOE más competitivos optimizando el control de estos dispositivos renovables flotantes desde la fase del concepto.
Los resultados del primer año de desarrollo han sido contrastados a través de un taller de trabajo organizado por el Cluster de Energía en el que participaron 15 empresas de las cadenas de valor de las energías renovables flotantes, las cuales mostraron un gran interés en la novedosa metodología, aunque mencionaron la necesidad de extender la metodología para incluir los aspectos adicionales de diseño antes de ser integrado como herramientas de diseño de aplicaciones más industriales. En este taller, los socios de KONFLOT pudieron recoger aportaciones desde un punto de vista industrial, que tratarán de implementar en ambos casos de estudio. Los resultados finales del proyecto, que finaliza en marzo de 2024, se presentarán a través de diversos canales de difusión y eventos.
