Los nuevos avances en turbinas marinas

Los nuevos avances en turbinas marinas

El complejo reto del mantenimiento de una turbina en el hostil entorno submarino, es un obstáculo para una adopción más amplia de la energía mareomotriz. Los ingenieros de todo el mundo trabajan en modelar el comportamiento de las turbinas marinas y las cargas variables, con el fin de mejorar la esperanza de vida de estas y conducir hacia nuevos e innovadores diseños. En este sentido, parece que Reino Unido se ha posicionado como líder en investigación de citado sector, gracias en parte a que su situación geográfica le permite disponer de un gran potencial en el aprovechamiento de este tipo de recursos, haciendo centrar la mirada de muchos de los departamentos de I+D+i del país.

Dentro de la energía mareomotriz existen una gran diversidad de sistemas para la obtención de electricidad. Una de las más importantes que se están barajando en la actualidad son los generadores de corriente de marea, específicamente, lasturbinas marinas. Los mejores lugares para instalar este tipo de sistemas, se encuentran en zonas que realmente pueden suponer una pesadilla para los ingenieros, dado las fuertes corrientes y la corrosión generada a causa de las características de los fondos marinos, que puede desembocar en daños y problemas de funcionamiento. A esto se le suma que, debido al entorno en el que se instalan, supone un importante desafío cualquier labor de reparación y mantenimiento que se precise.

A pesar de los contras, los ingenieros continúan con el desarrollo de nuevos avances en turbinas marinas para contrarrestar los actuales problemas que se producen al operar en este tipo de entornos. Por ello, vamos a tratar a continuaciónlos principales proyectos y tecnologías que se están llevando a cabo en este campo para su inminente aplicación en la industria.




1. La optimización del diseño

La Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial Civil de la Universidad de Manchester, junto al Consejo de Investigación de Ciencias Físicas e Ingeniería, están llevando a cabo dos proyectos simultáneamente: X-MED, que estudia la carga extrema de los dispositivos de energía marina, y el STEP-WEC, en el que se evalúan los nuevos conceptos de energía mareomotriz.

Los ingenieros que participan en este proyecto, también están contribuyendo en los programas de investigación Performance of Arrays of Wave and Tidal Stream Systems (PerAWaT) y Reliable Data Acquisition Platform or Tidal (ReDAPT), encargados por el ETI, para mejorar la comprensión del comportamiento de las turbinas. Su enfoque principal se ha centrado en el efecto de las estelas de la turbina y su comportamiento en el medio acuático, así como la evaluación de herramientas numéricas para su uso en la optimización del diseño.

Hasta la fecha se ha realizado un amplio trabajo con la mecánica de fluidos computacional (CFD) para predecir las cargas medias en los sistemas, pero no se ha hecho tanto hasta ahora sobre la predicción de la carga, debido a las condiciones muy inestables que existen en zonas expuestas a las corrientes de las mareas. Por ello, el equipo de ingenieros ha estado en los últimos cuatro años buscando resolver totalmente la geometría de la turbina, para poder simular las cargas variables en el tiempo causadas por las turbulencias en el flujo. Esto implica la simulación de la turbina y, a continuación, ser capaz de recrear las variaciones de flujo que se encuentran en el mundo real con la máxima precisión, que es sin duda la parte de especial importancia para la industria de la energía mareomotriz.

La modelización de cargas variables a través del tiempo es el aspecto realmente importante para el análisis de la fatiga del sistema, así como el diseño de la estructura, la fiabilidad, los mecanismos de control de paso y todos los aspectos operativos de la maquinaria para su seguimiento. Todo ello a través de la posibilidad de modelar el ambiente con precisión y la respuesta del sistema en el entorno marino.




2. Gestión de la carga variable:

La Universidad de Cambridge está organizando otro proyecto destinado a aumentar la vida útil de las turbinas marinas mediante el desarrollo de dos nuevas tecnologías, que permitirán reducir las cargas inestables que surgen de las variaciones de flujo. Hay que recordar que las turbinas marinas experimentan cargas variables muy superiores a sus homólogas en el sector de la energía eólica, como resultado de la mayor densidad del agua en comparación con el aire y la inestabilidad inherente del entorno submarino.

A esto hay que añadir la elevada fatiga producida por el agua salada en las estructuras de acero dulce típicamente utilizadas para el soporte. Hasta ahora, suelen proporcionar una resistencia de 30 meses o menos en lugar del requisito inicial deseado para 30 años. Actualmente, esto impone limitaciones importantes tanto en las mismas, como en los lugares en los que se pueden implementar de manera realista las turbinas.


3. Trenes de accionamiento hidráulico:

Los trenes de accionamiento hidráulico, son otra de las nuevas tecnologías que se están investigando actualmente ya que ofrece una posible solución al problema, permitiendo que la velocidad de la turbina responda con rapidez a lo que sus investigadores describen como grandes “ráfagas” bajo el agua, garantizando así que la carga en el generador permanezca constante.

En enero del presente año, los ingenieros japoneses de Mitsubishi Heavy Industriescomenzaron probando un sistema a gran escala que trabaja en principios muy similares, como parte de un proyecto para desarrollar trenes de accionamiento hidráulico en turbinas eólicas marinas. Pero la nueva tecnología que se está desarrollando en el Reino Unido es un concepto muy superior y altamente innovador, adaptado para operaciones en energía mareomotriz.

Mientras que la tecnología del tren de accionamiento hidráulico está diseñada para hacer frente a las grandes “ráfagas”, el segundo enfoque que se está tratando tiene por objeto abordar los flujos inestables de menor longitud, basado en los mismos conceptos utilizados en la industria aeroespacial para amortiguar las ráfagas similares en el aire. La idea es emplear spoilers o flaps de eyección de fluido en las palas de la turbina para mantener constante la elevación de las mismas cuando el flujo no estacionario pasa sobre ellas, y así reducir la fluctuación de la carga. Se espera que esta tecnología, una vez perfeccionada, sea una alternativa adecuada a los sistemas de paso variable para ayudar a garantizar que no se superen las cargas máximas.




4. Ingeniería de materiales:

Otros grupos de investigación, sobre todo de las universidades de Southampton y Cranfield, están analizando los materiales de las palas y su deformación durante el período de rotación de las turbinas, en un intento de modelar la respuesta dinámica y las implicaciones a largo plazo sobre la fatiga.

Concretamente, los ingenieros de la Universidad de Southampton están utilizando pruebas mecánicas junto a tomografías computarizadas de alta resolución, para permitir la mejora de la comprensión de la vida útil en los aerogeneradores. Si se pudiera hacer lo mismo con las turbinas marinas, podría generar importantes beneficios, ya que las interacciones de los flujos localizados a través de los componentes de la pala y de las turbinas individuales en el agua (siendo un líquido más denso que el aire), podría hacer una distribución de la carga singularmente compleja que varía con el tiempo, generando patrones particularmente desafiantes en la distribución de la tensión.

Yendo aún más lejos, los nuevos materiales en última instancia, podrían ser la clave para palas más baratas, así como reducir la carga sobre los mecanismos de control de paso y, posiblemente, incluso abriendo el camino para que la deformación pasiva de la pala contribuya a la producción de energía.




Todas estas líneas de investigación serán fundamentales para el futuro desarrollo de la energía mareomotriz. Tendemos a olvidar que todavía es una fase muy temprana de su desarrollo y, aunque hay muchas similitudes con otras tecnologías y sistemas que pueden verse en la ingeniería petroquímica y la eólica marina, siguen siendo muy limitadas. La hidrodinámica no es la aerodinámica, y las turbinas no son plataformas petrolíferas.

Por lo tanto, si a largo plazo los objetivos de la industria son llevados a cabo, se habrá superado el enorme reto de maximizar la producción de energía limpia en el medio marino sin una merma de la vida útil de las turbinas.

Fuente: Fieras de la Ingeniería