Retos Tecnológicos en el Desarrollo de Aerogeneradores

1. Retos Tecnológicos en el Desarrollo de Aerogeneradores Madrid, 30 de Junio 2011 Presentado por: Juan de Dios López Leiva • Fecha:30/06/2011 • JDLL NOTA: Prohibida la reproducción (total o parcial) o distribución de este documento sin la autorización del Autor

2. Indice • Algo de Historia • Puntos importantes • Evolución tecnológica • Desarrollos tecnológicos futuros

3. Index • Un poco de Historia • Puntos importantes • Evolución tecnológica • Desarrollos tecnológicos futuros

4. Un poco de Historia Desde la Antigüedad, la Humanidad ha utilizado la energía del viento • Algunos ejemplos históricos: • Antigua China • Herón de Alejandría (s.I) • Persia (S. VII) Imagen: Órgano “eólico” de Herón de Alejandría Los árabes también utilizaron este concepto, que fue traído a Europa tanto por los cruzados como por los mismos árabes, y aplicado extensivamente durante la Edad Media Imagen: Molino tradicional persa s. VII -IX Durante siglos, la energía del viento se ha aprovechado para moler grano, bombear agua y, en general, cualquier aplicación que necesite un suministro continuo de energía mecánica.

5. Un poco de Historia A mediados y finales de la Edad Media, aparecen los primeros molinos de eje horizontal • Esta configuración implicó: • Palas más grandes (mejor diseño estructural) • Necesidad de orientar el rotor al viento • Adaptar la velocidad de la aplicación a la del rotor El uso fundamental de los molinos fue, precisamente, la producción de harina, aunque eh Holanda se los usó para drenar grandes extensiones de terreno, prácticamente desde el s. XIII. Imagen: Molino holandés de drenaje (s.XIII) Aparecen los primeros ejemplos de multiplicación y cambio de eje de giro, ya que los rotores grandes giran más despacio. Los primeros sistemas eran engranajes simples de madera que permitían mover las grandes muelas sobre la piedra base a la velocidad apropiada. En el molino manchego tradicional, por ejemplo, se incorporó un rudimentario, pero efectivo sistema de orientación “manual” (palo de gobierno) Imagen: Molino tradicional manchego (x.XV)

6. Un poco de Historia Las primeras aplicaciones eléctricas aparecen a finales del s. XIX • El “Concepto Danés” • F.L. Smidth: • Turbinas de dos o tres palas • Combinaciones eólica-diésel • Dinamarca como pionero • Poul la Cour • Evolución por la eficiencia • Primeros ensayos en túnel • 1888 • Charles F. Brush (USA) • Primera aplicación de generación • 18 m – 12 kW 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 • 1918 • 120 empresas publicas locales con aerogeneradores (20-35 kW) • 3 MW de potencia instalada (3% de la generación total) • 1904 • Society of Wind Electricians • 356 asociados en 1905 • Primera revista sobre generación eólica

7. Index • Algo de Historia • Conceptos importantes • Evolución tecnológica • Desarrollos tecnológicos futuros

8. Conceptos importantes Recurso Eólico El viento no es un recurso constante ni homogéneo. Además de dirección y velocidad, puede ser más o menos turbulento. La velocidad MEDIA del viento se aproxima a una distribución estadística en cada emplazamiento La mayor probabilidad, y por tanto, la mayor producción, se encuentra en la zona de velocidades bajas y medias. Para comprender el porqué de la evolución tecnológica, es importante aclarar ciertos aspectos clave: Captura la Energía cinética del viento y la transforma en energía mecánica; transmite las cargas a la góndola Aloja sistemas del aerogenerador y los protege de las inclemencias meteorológicas, además de trasladar las cargas hacia la torre Sostiene Rotor y Góndola, transmite las cargas al suelo y puede alojar otros sistemas. Velocidad Media Se diseña de acuerdo al terreno, transmite las cargas de la torre al suelo, y aloja la puesta a tierra del sistema. Fuente: IEC

9. Conceptos importantes Conversión de Energía • El aerogenerador no es más que un convertidor de energía. • Disminuir estas pérdidas tiene contrapartidas: mayores cargas aerodinámicas, más cantidad de partes activas en el generador , componentes más caros, etc… Para comprender el porqué de la evolución tecnológica, es importante aclarar ciertos aspectos clave: VIENTO Energía Cinética Rotor Energía Mecánica Tren de Potencia Energía Eléctrica mec, ele aer , Cargas

10. Index • Algo de Historia • Conceptos importantes • Tecnologías actuales • Desarrollos tecnológicos futuros

11. Tecnologías actuales Palas • Material Compuesto: • Fibra de Vidrio o Carbono • Resina Poliéster o Epoxy • Madera (Balsa fundamentalmente) • Metal Aerogenerador, de eje horizontal a barlovento y tripala Superficies aerodinámicas, estructura principal, largueros Largueros Refuerzos, secciones interiores Ensamblaje de Largueros Cierre del molde y curado Instalaciones y acabado final Apilado de las fibras y aplicación de la resina

12. Tecnologías actuales Tren de Potencia Transformación de Energía Mecánica en Eléctrica Synchronous Generator Accionamiento Directo Generadores Multipolo con multiplicadora Convencional (multiplicadora de alta velocidad) Generator

13. Tecnologías actuales Actuación (Pitch) Control Los sistemas de Control mantienen el funcionamiento seguro y reducen cargas • Eléctrico (CC o CA-asíncronos “jaula de ardilla”) • Hidráulico V≥Vr Control por Pitch V<Vr Control por Torque

14. Tecnologías actuales Estructuras • Torres: • Acero • Hormigón • Conformado y cierre de virolas • Virolas soldadas entre sí y a bridas forjadas • Instalaciones auxiliares y acabado • Integrales • In-situ • Por Secciones • Híbridas acero-hormigón Imagen: Enercon Imagen: ATS Imagen: Atlas GmbH

15. Tecnologías actuales Estructuras • Estructuras Primarias Metálicas • Mecano-soldadas • Fundicíon gris (p.ej. GJS-400) • Rodamientos: • Palas • Yaw • Tren de Potencia • Rodillos (Rotor) • Bolas (pitch/Yaw)

16. Indice • Algo de Historia • Puntos importantes • Tecnologías actuales • Desafíos tecnológicos futuros

17. Desafíos Tecnológicos Futuros Coste de Energía Medios Objetivo PRIMORDIAL: Minimizar el coste de la Energía generada. A menor coste de energía, mayor rentabilidad y capacidad para competir • Para reducir el coste de Energía se puede actuar sobre (casi) cualquiera de sus términos: • Reduciendo la Inversión necesaria • Reduciendo Costes de Operación y Mantenimiento (Fiabilidad y Mantenibilidad) • Aumentando la Producción de Energía (Disponibilidad y Eficiencia) • No obstante, el óptimo no tiene por qué corresponder con un mínimo absoluto en alguno de los términos… Objetivo y Medios Costes e Inversiones Energía generada • Cost of Energy as profitability indicator • LEC = Levelised Energy Cost (Lifetime-average) • It = Investment expenditures in the year t • Mt = Operations and maintenance expenditures in the year t • Ft = Fuel expenditures in the year t • Et = Electricity generation in the year t • r = Discount rate • n = Life of the system

18. Desafíos Tecnológicos Futuros Palas • La captura de Energía es proporcional al área del rotor y a su “eficiencia aerodinámica”. • Por tanto, podemos conseguir más captura usando: • Palas más largas • Palas más eficientes (mayor sustentación) • En ambos casos, el resultado será no sólo un aumento de la producción de energía, sino un aumento de las necesidades estructurales: • Mayor peso de la pala • Mayores cargas aerodinámicas transmitidas Un rotor más grande y/o eficiente capturará más energía… Superficies aerodinámicas, estructura principal, largueros Largueros Refuerzos, secciones interiores Además, no hay que olvidar el término de Coste/Inversión, ya que una pala más barata redunda en un menor coste final de la Turbina. Ensamblaje de Largueros Cierre del molde y curado Instalaciones y acabado final Apilado de las fibras y aplicación de la resina Imagen: RISØ

19. Desafíos Tecnológicos Futuros Palas Los tamaños de aerogenerador, especialmente offshore, previstos en los próximos años demandarán grandes palas de hasta 80 m de longitud. Para aerogeneradores onshore, el tamaño está limitado por la logística y el emplazamiento. No obstante, ya existen modelos onshore con rotores de hasta 100 m y menos de 2MW Los mayores tamaños absolutos serán en offshore, pero en on-shore también se crece Superficies aerodinámicas, estructura principal, largueros Largueros Refuerzos, secciones interiores • Imagen: Vestas • Imagen: GWEC Ensamblaje de Largueros Cierre del molde y curado Instalaciones y acabado final Apilado de las fibras y aplicación de la resina

20. Desafíos Tecnológicos Futuros Palas Optimización de las secciones resistentes en el perfil Materiales avanzados(p.ej. Nanocomposites, morphing materials, orientación forzada de fibras, etc) Posibles soluciones en desarrollo ó a desarrollar (1/2) Superficies aerodinámicas, estructura principal, largueros Largueros Refuerzos, secciones interiores • Imagen: GWEC Perfil resistente (p.e. CFRP) • Imagen: Vestas Ensamblaje de Largueros Cierre del molde y curado Instalaciones y acabado final Apilado de las fibras y aplicación de la resina Imagen: D. P. N. Vlasveld, W. Daud, H. E. N. Bersee, and S. J. Picken Imagen: LiveScience

21. Desafíos Tecnológicos Futuros Palas Palas seccionadas para grandes longitudes Procesos de fabricación automatizados Posibles soluciones en desarrollo ó a desarrollar (2/2) Superficies aerodinámicas, estructura principal, largueros Largueros Refuerzos, secciones interiores • Imagen: GWEC • Imagen: Vestas • Imagen: Vestas • Imagen: Enercon Ensamblaje de Largueros Cierre del molde y curado Instalaciones y acabado final Apilado de las fibras y aplicación de la resina Imagen: MAG Industrial Automation Imagen: Mtorres

22. Desafíos Tecnológicos Futuros Tren de Potencia • Es necesario tener en cuenta varios aspectos prácticos: • - Eficiencia Energética: A menores pérdidas, mecánicas y/o eléctricas, mayor producción • - Fiabilidad y disponibilidad: Las paradas no programadas no sólo tienen el coste de las piezas dañadas, sino también el de la producción que se pierde. • - Coste: En general, las soluciones estándar pueden tener menor coste debido a las economías de escala, pero es posible optimizar el coste disminuyendo las necesidades de material, por ejemplo. Un tren de potencia optimizado permitirá contener costes de adquisición y operación Superficies aerodinámicas, estructura principal, largueros Largueros Refuerzos, secciones interiores Ensamblaje de Largueros Cierre del molde y curado Instalaciones y acabado final Apilado de las fibras y aplicación de la resina

23. Desafíos Tecnológicos Futuros Tren de Potencia • Las modernas multiplicadoras son cada vez más especializadas y están más adaptadas a los requerimientos del sector. • No obstante, las multiplicadoras de alta relación aumentan mucho su peso a medida que aumenta la potencia. • Por otra parte, los generadores eléctricos aumentan su peso a medida que su velocidad de trabajo nominal disminuye. Los grandes fabricantes se posicionan hacia soluciones especializadas

24. Desafíos Tecnológicos Futuros Tren de Potencia En multiplicadoras convencionales (alta velocidad), la fiabilidad seguirá siendo el caballo de batalla, así como las necesidades de lubricación y refrigeración: Adicionalmente, existen otras posibilidades, que hoy en día empiezan a ver la luz: Las multiplicadoras convencionales aún tendrán recorrido • Mejor conocimiento de cargas y efectos sobre los componentes • Estrategias de mejora intensivas Imagen: GH • Imagen: NREL • Output de velocidad constante: • Permite conexión directa a red • Pequeño amortiguamiento de fluctuaciones de par • Cajas de salida redundante: • Operación en carga parcial ó en modo “degradado” • Imagen: Voith Turbo

25. Desafíos Tecnológicos Futuros Tren de Potencia La multiplicadora de media velocidad permite buscar el tamaño óptimo del conjunto generador-multiplicadora, consiguiendo: Sin embargo, esta arquitectura también presenta desafíos Las multiplicadoras de baja relación se posicionan como solución de futuro • Mínimo peso del conjunto: • La multiplicadora y el generador pueden integrarse en un único elemento • A pesar de usar un generador multipolo, su peso es contenido • Menores pérdidas que en cajas de alta velocidad: • Menor relación de multiplicación => Menos etapas • Menor uso de materiales activos (Cu, Fe, NdFeB): Imagen: Areva M5000 • Arquitectura integrada • La disposición compacta dificulta el acceso • La multiplicadora y el generador están integrados en la estructura de soporte • Fiabilidad: • A pesar de tener menos partes móviles, sigue siendo un factor clave • Necesario un mantenimiento predictivo adecuado para identificar posibles averías e intervalos de mantenimiento.

26. Desafíos Tecnológicos Futuros Tren de Potencia Un sistema de accionamiento directo elimina la multiplicadora, pero a cambio precisa de un generador síncrono multipolo, bien de imanes permanentes o de rotor devanado Desafíos a superar: Los sistemas de accionamiento directo permiten aumentar la fiabilidad. • Elimina totalmente la multiplicadora • Mayor fiabilidad al eliminar componentes mecánicos • Elimina el sistema de lubricación • Permite un control muy directo del par en el rotor • Excelente rendimiento a carga parcial: • Este tipo de arquitectura permite reducir las pérdidas en la zona de mayor captura Imagen: Enercon • El generador multipolo puede requerir tamaños considerables para ser eficiente • El suministro actual de imanes permanentes está polarizado en China => diversificación de producción ó investigación de nuevos materiales • Materiales Superconductores de Alta Temperatura: permitirían reducir los tamaños necesarios y el peso de partes activas. • Estabilidad estructural: El diseño de las estructuras, sobre todo del rotor, debe permitir mantener la integridad del entrehierro con un peso contenido. • Precio: Soluciones “ad hoc” => más complejo conseguir economías de escala.

27. Desafíos Tecnológicos Futuros Tren de Potencia La electrónica de potencia será crucial en los aerogeneradores presentes y futuros. Los conceptos más comunes usan un convertidor electrónico: Desafíos a superar: Los requisitos de conexión a red evolucionan para permitir mayor penetración eólica • Gestionando la corriente del Rótor • Específico para generadores doblemente alimentados • Gestiona sólo un 30% de la potencia típicamente • Gestionando la corriente del Estator • Necesario en generadores síncronos • Permite controlar directamente el par modulando la corriente del estátor. • Permite desacoplar el generador de la red, manejar huecos de tensión, controlar la potencia reactiva, etc… Imagen: ABB • Es necesario mejorar las pérdidas eléctricas, especialmente a cargas parciales. Los actuales convertidores tienen rendimientos entre el 94% y el 96% (mayor a plena carga) • Necesario mejorar la competitividad y el precio de la electrónica de potencia a media tensión. • La integración de parques en HVDC podría llegar a llevarse a cabo rectificando a nivel de turbina. Imagen: RISØ

28. Desafíos Tecnológicos Futuros Estructuras • Constituyen una parte considerable del coste de fabricación (y la mayor parte del peso) de una turbina. • Los crecientes volúmenes de demanda en offshore pueden provocar a medio plazo una cierta escasez de suministro en estructuras específicas (piezas forjadas y de fundición), y aumento del precio de los materiales • Aún así, el creciente tamaño de los aerogeneradores demandará estructuras más resistentes y duraderas Un coste de estructuras contenido permitirá mantener la competitividad • Desafíos Relevantes: • Calidad y resistencia específica de materiales (p.e. fundición) • Optimización del diseño estructural (mejor conocimiento de las cargas de diseño) • Nuevos métodos de construcción (por ejemplo: torres de hormigón o celosía). • Mejora de los costes de montaje y obra civil • Estructuras soporte flotantes en offshore • Mejora de las cimentaciones offshore

29. Desafíos Tecnológicos Futuros Estructuras Futuras torres y cimentaciones: Más grande, más alto… más barato • Ejemplos de torres • In-situ • Imagen: Nibe (DK) • Híbrida • Imagen: ATS • Prefabricada • Imagen: Consolis • Celosía • Imagen: Fuhrländer

30. Desafíos Tecnológicos Futuros Estructuras Además, el mar será un terreno de desarrollo crucial a medio y largo plazo • Ejemplos de Estructuras Soporte Offshore • Imagen: Hywind 1 2 3 4 5

31. Desafíos Tecnológicos Futuros Otros Cada limitación que nos encontremos será un nuevo desafío a superar • Sistemas de actuación mejorados • Motores de pitch DC Brushless para mejor respuesta dinámica • Sistemas redundantes en máquinas offshore • Mejoras de fiabilidad en cajas reductoras • Paneles más compactos y fiables • Sistemas de Control específicos • Uso extendido de control individual de pitch • Algoritmos de control refinados (actividad optimizada) • Algoritmos de diagnóstico y mantenimiento predictivo Y mucho, muchísimo más… 1 2 3 4 5

32. Muchas gracias por su atención Preguntas?