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Gigantes a prueba de olas

Luis Merino Viernes, 23 de septiembre de 2011


La eólica offshore y sus buenas perspectivas está impulsando el diseño de aerogeneradores estratosféricos. Se habla sin rubor de máquinas de 20 MW, diez veces más potentes que el estándar actual. Y aunque por ahora el techo eólico es cosa del E126 de Enercon y sus 7,5 MW, es probable que en pocos años aparezcan aeros más grandes y potentes. Lo que no les impedirá flotar en el mar.

Gigantes a prueba de olas

El instituto danés Risø, uno de los más activos en investigación eólica, presentó hace algunos meses lo que definen como “el primer diseño base” para una máquina de 20 MW. Según estimaciones iniciales del director del proyecto, Peter Hjuler Jensen, el coste de uno de estos aerogeneradores se incrementaría solo entre un 15% y un 20% en relación con las grandes máquinas actualmente existentes. Jensen se refiere solo al diseño “en papel”, no a los incrementos imputables a la fabricación. Ese diseño es consecuencia del denominado proyecto UpWind, iniciativa paneuropea emprendida en 2005 bajo la batuta de Risø, que cuenta con una subvención de la Unión Europea de 23 millones de euros. El principal cometido de UpWind es investigar la posibilidad de construir un aerogenerador de 20 MW con los materiales disponibles en la actualidad.

Veinte mil componentes
El proyecto, que tiene en cuenta los cerca de 20.000 componentes que conforman un aerogenerador multimegavatio, está haciendo especial hincapié en el funcionamiento inteligente y, sobre todo, en los denominados rotores aeroelásticos inteligentes, que pueden responder a numerosas variables del viento, sobre todo a las turbulencias, en tiempo real mediante sistemas de medición distribuidos por todo el diámetro del rotor y gracias al ajuste de las palas a las condiciones cambiantes del viento. Una de las propuestas de UpWind es la incorporación de un sistema de canto de pala regulable, similar a las aletas de las alas de los aviones. Varios modelos de esta innovación han sido ya probados en túneles de viento.

Grandes entre los grandes
UpWind no es el único intento de estas características en el mundo. En España, el proyecto Azimut ha unido en una iniciativa similar a once empresas –entre ellas Gamesa, que coordina el proyecto, Acciona, Alstom o Iberdrola– y 22 centros de investigación que se han propuesto generar el conocimiento necesario para desarrollar un aerogenerador marino de gran tamaño, previsiblemente de 15 MW. La inversión prevista es de 25 millones de euros hasta 2014. Los mismos actores coinciden en otro proyecto llamado Zèfir Test Station, en el que el Instituto de Investigación en Energía de Cataluña (IREC) pretende la instalación en aguas de Tarragona de una planta internacional de I+D de ensayos de aerogeneradores marinos en aguas profundas y que se desarrollará en dos fases: en la primera se instalará un máximo de cuatro máquinas ancladas en el fondo del mar a unos 3,5 kilómetros de la costa, con una potencia total no mayor de 20 MW; la segunda contará con un máximo de ocho aerogeneradores flotantes a unos 30 kilómetros de la costa y que sumarán un máximo de 50 MW.

Máquinas de diez megavatios
También, la noruega Sway Power y la británica Clipper Windpower Marine desarrollan máquinas de 10 MW. Es la misma potencia que tiene un aerogenerador realmente ingenioso diseñado por la también británica Wind Power Limited. Todos ellos conforman los proyectos más grandes entre los sueños de gigantes que desvelan a la eólica.
Y todos piensan en el mar porque saben que tarde o temprano la eólica marina dominará el panorama. A principios de año la consultora estadounidense Emerging Energy Research (EER) publicaba el informe “Global Offshore Wind Energy Markets and Strategies: 2009-2020”. El segmento marino, apuntaba, recibió en 2010 pedidos que suman 6 GW y que llegarán a 43 GW hasta 2020. Entre 2009-2013 el 76% de la potencia offshore se instalará en Europa, prevé EER.

Europa seguirá en cabeza
Otros analistas van incluso más allá. Para la consultora BTM Consult ApS, hasta 2020 se pueden alcanzar los 75 GW offshore (desde los 3.514 MW actuales, casi todos en los mares del norte de Europa). De ellos, más de 52 GW estarían localizados en Europa y el resto, fundamentalmente, en China (19 GW), seguida de lejos por Estados Unidos y Canadá (2.000 MW entre ambos). Los 52 GW eólicos marinos previstos en Europa en 2020 representarían casi el 23% de la potencia instalada total en el continente (230 GW) entre tierra y mar, frente al 4% que supone hoy.

Semisumergible
Todo ello ha motivado que incluso los fabricantes más dubitativos, caso de Vestas, hayan optado por decir sí a la eólica marina. En febrero la multinacional danesa firmó un acuerdo con la eléctrica lusa EDP, y con otros socios, para la instalación de un prototipo marino flotante cerca de Oporto. La implicación de EDP en el proyecto llega a través de WindPlus, consorcio que lidera la eléctrica y que también tiene como socio a la ingeniería estadounidense Principle Power, que ha desarrollado y patentado la tecnología flotante denominada WindFloat. Esta, basada en las estructuras semisumergibles de los sectores petrolero y gasista, se encuentra ya muy avanzada y, según Vestas, que adaptará y suministrará una máquina de 2 MW para la plataforma, el sistema tiene “el potencial de convertirse en la primera plataforma flotante semisumergible para la generación de energía eólica marina”.

Habrá aeros en emplazamientos antes descartados
La tecnología WindFloat consta de una estructura triangular que flota en posición horizontal. Bajo cada vértice del triángulo se prolonga una columna flotante que aporta estabilidad a la estructura y que va anclada al lecho marino. En uno de los tres vértices se encuentra la torre del aerogenerador. Sistemas de desplazamiento del agua también contribuyen a mantener la estabilidad frente el movimiento tanto de las olas como de la propia turbina. Los socios esperan que el sistema “permita el despliegue de aerogeneradores en emplazamientos antes descartados de profundidades superiores a los 50 metros”, según Vestas.

Reino Unido lo tiene claro
La eólica marina en Reino Unido acaba de superar los 1.500 MW tras poner en marcha, con varios meses de retraso, la primera fase (183,6 MW) del parque eólico marino de Walne. El parque, ubicado a catorce kilómetros de la costa del condado de Cumbria, en el noroeste de Inglaterra, pertenece a la danesa Dong Energy (50,1%), la escocesa Scottish & Southern Energy (25,1%) y una agrupación de inversores (el 24,8% restante). El conjunto consta de un total de 51 aerogeneradores Siemens de 3,6 MW de potencia (modelo SWT-3.6-107). Los socios prevén tener lista la segunda fase en 2012 y estiman que la producción eléctrica de las dos fases será de unos 1.300 GWh anuales como media. Con un factor de potencia de un 43% o, lo que es lo mismo, unas 3.767 horas equivalentes. Muy por encima de lo que se pueda lograr en la eólica terrestre.

La reducción de costes, en la próxima década
Las cuentas salen redondas sin necesidad de fiarlas a muy largo plazo. El informe, titulado “La Eólica Marina: Previsiones de los costes y beneficios futuros”, encargado por la asociación británica RenewablesUK a la empresa consultora BVG Associates, mantiene que durante los próximos diez años, el coste de la energía de los parques eólicos marinos británicos bajará en un 15%, en un escenario parecido al actual. Porque en condiciones de mercado más favorables la reducción podría ser de hasta un 33%. Según Maria McCaffery, de RenewablesUK, “sabemos que los costes de la energía eólica marina son demasiado altos, pero podemos reducirlos en hasta un tercio en la próxima década”.

Máquinas de hasta quince megavatios
A principios del verano se iniciaban también los trabajos de un centro de ensayo de trenes de potencia de aerogeneradores de hasta 15 MW en el condado británico de Northumberland. La inversión en el proyecto, que asciende a 28 millones de euros, recibió el visto bueno del Instituto de Tecnologías Energéticas (Energy Technologies Institute, ETI), un consorcio semipúblico de empresas energéticas y agencias estatales. El centro se ubica en la localidad de Blyth, dentro de las dependencias de Narec, organización creada para acelerar la integración masiva de energías renovables en las redes eléctricas. Y su puesta en marcha está prevista para junio de 2013. Se trata de una de las mayores inversiones acometidas por el ETI, cuyo primer ejecutivo, David Clarke, asegura que representa “un hito en el posicionamiento del Reino Unido como líder de la industria eólica”.

¿Se descuelga España?
A pesar de los proyectos de I+D en marcha, las empresas españolas creen que España puede perder el barco de la eólica offshore. En julio pasado Navantia y Acciona anunciaron la firma de un acuerdo de colaboración “con el objetivo de contribuir al despegue de la eólica marina”. Y subrayaron la necesidad de establecer “procedimientos normativos eficientes que permitan el desarrollo de la eólica marina y favorezcan la continuidad de los logros tecnológicos alcanzados por este país en el desarrollo de la generación eólica en tierra”. El Ministerio de Industria ha aplazado a 2014 la instalación de los primeros parques eólicos marinos comerciales en España, y ha reducido el objetivo desde los 3.000 MW a los que se había comprometido en el Plan de Acción de Energías Renovables (Paner) hasta los 750 MW plasmados en el borrador del Plan de Energías Renovables.

Estaciones meteorológicas, estructuras flotantes y buques para la instalación...
El acuerdo compromete a ambas compañías a impulsar conjuntamente “proyectos tecnológicos e industriales como el desarrollo de cimentaciones fijas o flotantes para la instalación de aerogeneradores”. También incluye el desarrollo de “buques y plataformas para la instalación de las cimentaciones y/o de los aerogeneradores, así como para su mantenimiento y desmontaje”. Como tecnólogo naval, Navantia realiza tareas de I+D+i “en proyectos ya en marcha para el diseño de estaciones meteorológicas, estructuras flotantes y buques de instalación y apoyo de parques eólicos marinos en aguas profundas”. Acciona dispone de un presupuesto eólico marino de 100 millones de euros dedicado “principalmente, al diseño de estructuras concebidas para grandes profundidades, idóneas para países que, como España, cuentan con escasa plataforma continental”. Parte de este esfuerzo va al citado proyecto Zèfir.

Año 2014
Otro tecnólogo español, Gamesa, aprovechó la feria eólica marina RenewablesUK Offshore Wind 2011, que se celebró en Liverpool a finales de junio para dar a conocer algunas pistas de su aerogenerador offshore G128, de 5 MW de potencia, un rotor de 128 metros de diámetro, un diseño modular y “tecnologías probadas y validadas en el aerogenerador G10X de 4,5 MW”. La nueva máquina “permitirá minimizar los tiempos de parada, reducir las tareas de mantenimiento y conseguir un coste de energía competitivo y una óptima rentabilidad durante toda la vida del parque”, asegura la empresa. Los primeros prototipos “estarán listos antes de finales de 2012”, declaró a Energías Renovables David Guíu, jefe de ventas en Europa de la división marina. La compañía prevé instalar la primera preserie en 2013 e iniciar la producción comercial en cadena en 2014.

Socios navieros
Gamesa también ha conseguido socios navieros y muy importantes, como el grupo Northrop (EEUU) que se han unido a su apuesta offshore. Según el director general de Offshore de Gamesa, Javier Perea, “hemos aplicado a nuestra primera plataforma marina, G11X-5,0 MW, la tecnología desarrollada y probada en nuestro proyecto tecnológico más ambicioso hasta el momento, la G10X-4,5 MW; y nos hemos dado cuenta de que teníamos mucho camino recorrido”. Mientras tanto, Gamesa trabaja ya en el desarrollo de otra familia de aerogeneradores marinos, de 6-7 MW y afirma que las “preseries podrían estar listas en 2014, para dar respuesta al previsible crecimiento de la demanda del mercado en el medio y largo plazo, con el desarrollo de nuevas generaciones de plataformas marinas de mayor capacidad”.

Antaño Ecotècnia
También Alstom, cuya división eólica es heredera de la española Ecotècnia, está por la labor de meter los pies en el agua. Ya ha anunciado que su primer prototipo eólico marino de 6 MW y 150 metros de rotor (con la pala de LM de 73,5 metros) será una realidad antes de que acabe este año. Alstom lo define como la máquina offshore con el mayor generador del mundo de imanes permanentes y accionamiento directo”. Y piensa comercializarlo a partir de 2014.

La segunda revolución de las renovables
Por otro lado, Iberdrola, líder mundial en eólica, firmó hace tres meses “el mayor acuerdo de compra de aerogeneradores para un parque eólico de su historia”. Por cierto, un parque marino. Siemens suministrará los 108 aerogeneradores de 3,6 MW del parque West of Duddon Sands, al sureste de Inglaterra, propiedad del consorcio formado a partes iguales por ScottishPower Renewables (filial de Iberdrola) y Dong Energy. La entrada en funcionamiento está prevista para el año 2014. El valor de dicho contrato asciende a cerca de 700 millones de euros. West Of Duddon Sands, ubicado a catorce kilómetros de la costa, tendrá una potencia de 389 MW, suficiente como para atender el consumo de electricidad de 300.000 hogares británicos, por lo que será una de las instalaciones marinas más grandes del mundo cuando se ponga en servicio.

¿Cómo será el futuro?
Con West of Duddon Sands, “arranca una de las apuestas más importantes de la historia de la compañía –apunta Iberdrola– que persigue liderar el futuro desarrollo de esta tecnología, considerada como la segunda revolución de las energías renovables”. Para lograr este objetivo, la empresa ha creado una dirección de Negocio Offshore, con sede en Escocia, desde la que la multinacional española tiene previsto impulsar la puesta en marcha de las instalaciones eólicas marinas de su cartera de proyectos, que ya suma más de 10.000 MW en todo el mundo. De entre estos, destaca el de East Anglia Array, que va a desarrollar en aguas inglesas junto a la sueca Vattenfall. Este proyecto (7.200 MW) recibió a finales del año pasado el permiso de National Grid, el operador del sistema británico, para conectarse a la red eléctrica terrestre, lo que supuso la mayor autorización de conexión recibida jamás por todo el grupo Iberdrola. Esta iniciativa se suma a otras en Alemania, España y Reino Unido que suman 2.500 MW más. De entre ellas, cabe resaltar la de Wikinger, un parque, situado en aguas alemanas del mar Báltico, que contará con una potencia de 400 MW, y Argyll Array, en Reino Unido, una instalación offshore cuya capacidad potencial oscila entre los 500 MW y los 1.800 MW.

Barcos “eólicos”, por Luis Merino

Para hacer parques eólicos marinos se necesitan barcos. Y según Michael Lewis, consejero delegado para Europa de E.ON Climate & Renewables, ellos ya tienen “el mejor buque del mercado” tras firmar en julio con la naviera holandesa Vroon un “contrato de fletamento a seis años para el MPI Discovery, un buque especializado en la construcción de parques marinos”. El MPI Discovery tiene seis patas autoelevables que izan todo el buque fuera del agua "para proporcionar una plataforma estable desde la que se puedan instalar con eficiencia y seguridad los cimientos y las turbinas eólicas”. Lo que le permite operar en condiciones meteorológicas “mucho más duras que los buques usados hasta ahora, reduciendo sustancialmente el tiempo y el coste de construcción”, según E.ON. El MPI, capaz de llevar 112 personas a bordo, puede trabajar en aguas de hasta 40 metros de profundidad, su grúa principal puede elevar mil toneladas y también tiene una grúa auxiliar con una capacidad de 50 toneladas.

Otra compañía, A2Sea, que pasa por ser la primera del mundo en buques de instalación de parques eólicos marinos, y que está controlada por la eléctrica danesa Dong con participación de Siemens, ha anunciado la firma de un acuerdo con la naviera canadiense Teekay para el desarrollo y construcción de una nueva generación de barcos con la que atajar los nuevos retos en aguas cada vez más profundas y alejadas de la costa. Según la propia empresa, en aguas menos profundas utiliza un sistema de patas con soporte en el lecho marino. Pero en aguas profundas las patas no llegan y las plataformas y buques flotantes tienen sus limitaciones. En este sentido, uno de los mayores retos radica en la altura de las olas, puesto que “las grúas marinas de alto tonelaje se ven limitadas a trabajar en aguas calmadas, con olas que no superen el metro y medio”. A2Sea está estudiando la conversión de grandes buques petroleros usados, por su gran estabilidad en aguas bravas. Un proyecto en el que Teekay aportará sus conocimientos de la tecnología de posicionamiento dinámico para buques grandes.

Pero a la hora de hablar de barcos eólicos, Enercon ha rizado el rizo con el E–Ship 1, un barco construído por los astilleros Lindenau Werft, en el norte de Alemania, y que fue botado en 2008. Lo curioso es que el E–Ship 1, un carguero de 134 metros de eslora dedicado al transporte de componentes de aerogeneradores, se mueve con energía eólica. Para ello dispone de un sistema de propulsión híbrido diésel y eléctrico que aprovecha el llamado efecto Magnus. Lo consigue gracias a cuatro torres cilíndricas de 25 metros de altura y 4 de diametro que le dan una apariencia singular. Esas torres son, en realidad, rotores Flettner, así llamados por el ingeniero alemán que los inventó a principios del siglo XX, y que han equipado barcos tan conocidos como algunos de los que utilizó Jacques Cousteau en sus investigaciones oceanográficas.

 

El parque eólico flotante, por Pascual Bolufer *

A juicio del autor, las claves para lograr que la electricidad eólica sea igual o más barata que la de las centrales convencionales está en los parques eólicos marinos en aguas profundas, parques flotantes por tanto, y en los grandes aerogeneradores.

Para lograr que el kilovatio hora eólico cueste lo mismo que el de las centrales convencionales hay que tener en cuenta dos factores:

1. Ir a aguas profundas donde los vientos son más intensos y constantes, con menos variabilidad que en tierra. Y conseguir que los parques eólicos flotantes nos permitan escoger la mejor ubicación, la más rentable. Hasta 2003 podíamos usar aguas de una profundidad no mayor de 30 m, pero ahora es útil alcanzar profundidades de hasta 600 metros.

2. El factor escala: la potencia del aerogenerador es inversamente proporcional al coste del kWh. Con sentido común, los nuevos prototipos son de una potencia algo superior al de las turbinas en funcionamiento. Es evidente una cierta tendencia al gigantismo, pero conviene ir paso a paso.

Para Uwe Schmidt, director del Centro Risø, DTU, de Dinamarca, “hoy día la energía eólica que obtenemos del mar cuesta el doble que la que se produce en tierra”. Pero, cabría añadir, el aerogenerador de aguas profundas, flotante, producirá el kWh más económico que el de tierra firme, o que la máquita offshore sujeta al fondo. No obstante, conviene no mezclar dos conceptos, una cosa es el precio del kWh y otra el rendimiento de una inversión bancaria. Actualmente para el inversor resulta más rentable el aerogenerador terrestre, aunque los vientos sean más variables y de menor intensidad que los marinos.

Para diseñar un aerogenerador flotante, más eficiente, hemos de conocer  primero cómo funcionan los que ya están operativos. Tenemos la experiencia de dos máquinas flotantes, una en Puglia (Italia), en el mar Adriático, que se instaló en diciembre de 2007 y que tiene una potencia de 80 kW. La experiºencia duró un año. Tres catenarias fijaban la plataforma en el fondo marino a 113 m de profundidad y a 21 km de la costa. El rotor tenía solo dos palas, preferible a las tres palas, porque el viento es intenso. Fue construida por Blue H Technologies, de Holanda.

La segunda experiencia es Hywind. En el litoral noruego del Mar del Norte se instaló un aerogenerador Siemens de 2,3 MW en septiembre de 2009 que sigue funcionando hoy. La empresa petrolera Statoil es la propietaria de la instalación. El ensamblaje se hizo en las aguas del fiordo Amoy, cerca de Stavanger, y fue remolcada con su torre de 120 m de altura a 10 km de la costa. La plataforma está sujeta al fondo marino, a 220 m de profundidad, con cuatro catenarias.

En 2010 produjo 7,3 GWh y ha sobrevivido a olas de 11 m. Inmovilizar la plataforma con tres o cuatro catenarias es satisfactorio porque las oscilaciones de inclinación y rotación causadas por el oleaje son lentas. Hywind es una plataforma experimental que durará dos años y su coste es similar al del aerogenerador apoyado en el fondo. Según Alexandra Beck, de Statoil, “el mercado global de estas turbinas es enorme si disminuimos los costes. Hywind ha costado 62 millones de dólares, entre construcción y transporte. Sería aceptable un coste de 3 millones de dólares por MW instalado”.

El estudio DeepWind
Comenzó el pasado mes de octubre, con una subvención de 3 millones de euros de la Unión Europea, el Programa FP7, para varias líneas de investigación que realiza el Centro Risø danés y sus doce socios internacionales, entre ellos Statoil y el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Estados Unidos (NREL). Su duración será de cuatro años. Investigarán un concepto nuevo de generación de energía, que incluye un aerogenerador de eje vertical, con una potencia del orden de kilovatios, muy modesta, pero suficiente para aclarar si es posible construir una turbina de 20 MW. Además estudiarán nuevas palas y nuevos sistemas de control y transmisión. En última instancia se pretende combinar la flotación con la rotación del aerogenerador Darrieus, de eje vertical, ya conocido. Habrá que esperar cuatro años para ver los resultados del DeepWind, teniendo siempre en cuenta que Risø no pretende construir ninguna turbina, solo hacer investigación.

Según el estudio DeepWind, el enlace para el transporte a tierra de la energía podrá medir muchos kilómetros. El rotor, de eje vertical, estará conectado directamente con el generador submarino, sin multiplicadora. La energía eléctrica producida será de frecuencia variable. La construcción de palas de enormes dimensiones supone desarrollar una nueva pultrusión, el proceso en el que haces de filamentos impregnados con resina se hacen pasar a través de un orificio, con enfriamiento posterior, para obtener unos perfiles determinados.

Actualmente la industria ofrece turbinas de hasta 6 ó 7 MW con una vida útil larga, pero se buscan nuevas posibilidades. La revista Power, en su edición de abril de 2011, habla de 18 nuevas configuraciones, y algunas son de eje vertical. Lo que nos lleva a acordamos del efecto Magnus, que aprovechó Flettner para construir sus grandes rotores de barco, como los que llevaba el “Buckau” con el que zarpó de Hamburgo el 2 de abril de 1926 y llegó a New York el 9 de mayo. Gracias a la energía eólica.

* Pascual Bolufer es físico, trabaja en el Instituto Químico de Sarriá (Barcelona) y pertenece a la Asociación Española de Comunicación Científica.
pasqual.bolufer@iqs.url.edu

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