El recurso eólico marino más abundante de los Estados Unidos se encuentra en aguas tan profundas que se necesitan plataformas flotantes para sostener las turbinas, lo que plantea grandes dificultades para que la energía eólica marina suministre electricidad a escala comercial y a un costo competitivo. Para que la energía eólica flotante se convierta en una tecnología viable en el mercado, es necesario identificar diseños, configuraciones y prácticas operativas optimizadas para lograr la paridad de costos con los diseños de plataformas de fondo fijo.
Un estudio reciente del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) revela una nueva visión estratégica para la energía eólica marina flotante. Los investigadores identifican las barreras que deben superarse para reducir el costo total de la energía generada, y luego esbozan una visión para un enfoque de sistemas integrados con el potencial de mejorar significativamente la viabilidad comercial de las plantas eólicas flotantes.
“Aunque hemos hecho grandes progresos con innovaciones relacionadas con componentes y herramientas individuales, sólo un enfoque integral basado en sistemas puede permitir que la tecnología de viento flotante madure completamente en los mercados comerciales”, dijo el líder de la plataforma eólica marina de NREL y coautor del estudio Walt Musial.
“Un esfuerzo multidisciplinario hace posible centrarse simultáneamente en una amplia gama de factores y luego optimizar los diseños para lograr un costo mínimo del sistema”.
Figura 1. Los conceptos clásicos de plataforma flotante que incluyen plataformas de mástil (izquierda), semisumergibles (centro) y patas de tensión (derecha) deben optimizarse para lograr competitividad en costos. Imagen de Josh Bauer, NREL
Eligiendo un enfoque integrado vs. uno iterativo
Gran parte de los 2.000 gigavatios de la capacidad de generación de electricidad doméstica eólica marina de los EE.UU. se encuentra cerca de los centros de población costeros. Más del 58% de este recurso se encuentra en profundidades de agua de 60 metros o más, donde los desafíos de ingeniería de las instalaciones de fondo fijo directamente conectadas al fondo del mar las hacen técnica y/o económicamente inviables. Se necesitan plataformas flotantes para aprovechar más eficazmente la energía eólica en estos lugares.
Las subestructuras de turbinas eólicas flotantes se adaptaron inicialmente a partir de conceptos probados de plataformas de petróleo y gas en el mar. Aunque esta primera oleada de diseños demostró que la tecnología flotante puede satisfacer las demandas de durabilidad y generación de energía, el análisis de costos de referencia indica que se requerirá una mayor optimización, innovación y ampliación al tamaño de las plantas comerciales para que los sistemas de energía eólica flotante sean económicamente viables.
El modelado detallado realizado por los investigadores del NREL muestra que es poco probable que las reducciones de costos necesarias provengan de un solo invento innovador, pero requerirá la combinación deliberada de bloques de construcción de diseño que abarquen múltiples disciplinas, una combinación complementaria de innovaciones en tecnologías, características de diseño y estrategias de instalación y funcionamiento.
Para lograr esta visión, el estudio del NREL utiliza un diseño de ingeniería de sistemas y tecno-económico completamente integrado para captar las complejas interacciones entre la física, la fabricación, la instalación y el funcionamiento de los sistemas eólicos flotantes e identificar diseños óptimos que reduzcan drásticamente los costos.
El enfoque actual del diseño de sistemas eólicos marítimos es iterativo, en el que cada empresa aporta su propia área de experiencia y su motivación para obtener beneficios.
“Un fabricante diseña la turbina y la torre, otra compañía diseña la subestructura, y a veces un desarrollador independiente se ocupa de la disposición de la matriz y la logística. La tremenda complejidad del entorno físico de las instalaciones flotantes y la interacción de los componentes de diseño hacen que este enfoque de “divide y vencerás sea bastante costoso y menos efectivo para identificar soluciones viables“, dijo el Ingeniero de Investigación Senior del NREL y autor principal del estudio, Garrett Barter.
Construyendo sobre la experiencia y llenando los vacíos
El estudio del NREL examina el estado actual de la tecnología eólica marina flotante y pone de relieve las lagunas en el desarrollo y las áreas que podrían beneficiarse de herramientas adicionales y de la innovación. Los investigadores examinaron los componentes del sistema, incluyendo turbinas, plataformas, amarres y controles. También revisaron los factores a nivel de planta, como los efectos de estela y de matriz; la fabricación, instalación, operación y mantenimiento; la integración de la red; y el impacto ambiental.
“Aunque la promesa de nuevas herramientas de diseño de ingeniería de sistemas capaces de afrontar los desafíos del viento flotante suena tentadora, para tener éxito y ser más que un mero ejercicio académico, deben incorporar las lecciones aprendidas anteriormente”, dijo la Ingeniera Superior de Investigación del NREL y coautora del estudio Amy Robertson.
“La experiencia de los proyectos de petróleo y gas y de fondo fijo puede dirigir rápidamente una nueva herramienta hacia soluciones que tengan más probabilidades de proporcionar el mayor rendimiento y reducción de costes”.
En el estudio se detallan importantes consideraciones de ingeniería y operacionales basadas en la experiencia y se describen las ventajas de tenerlas en cuenta en las decisiones de diseño para reducir las opciones de diseños rentables.
Por ejemplo, las estructuras que pueden remolcarse a lugares de aguas profundas para su despliegue y a la costa para su mantenimiento ofrecen beneficios tanto logísticos como económicos a los operadores. Los diseños que utilizan estos conocimientos técnicos y pueden ser normalizados para su utilización en una amplia gama de entornos oceánicos y puertos prometen mayores economías de escala para los fabricantes y una adopción más generalizada por parte de la industria.
Desarrollo de nuevas herramientas
Los investigadores también consideran que las herramientas existentes centradas en la ingeniería no tienen en cuenta adecuadamente las consideraciones de costo y diseño de sistemas, mientras que las herramientas de ingeniería de sistemas carecen de la suficiente fidelidad de la física para captar todos los impulsores críticos del diseño.
Para salvar esta brecha, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada en Energía del DOE (Advanced Research Projects Agency-Energy, ARPA-E) inició recientemente un nuevo programa, Turbinas Aerodinámicas más ligeras y a flote con Tecnologías Náuticas y Servo-control Integrado (ATLANTIS), para revolucionar el diseño de turbinas eólicas flotantes en alta mar y las herramientas de diseño. NREL y sus colaboradores de ATLANTIS de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y la Universidad del Estado de Colorado persiguen la visión expuesta en el documento creando el conjunto de herramientas de energía eólica de código abierto con servocontrol integrado (WEIS) para optimizar las turbinas eólicas marítimas flotantes.
El objetivo es lograr que la energía eólica flotante sea rentable para el 2030
Una vez desarrollados los instrumentos de optimización de sistemas, pueden utilizarse para cuantificar las compensaciones de costo-beneficio de las tecnologías individuales y las diferentes estrategias de sistemas o industriales.
Los investigadores prevén que el estudio se incorpore eventualmente a un programa de investigación que incluya la optimización de sistemas completos -incluyendo plantas eólicas completas y su logística de apoyo- así como estudios de compensación y sensibilidad relacionados con la subestructura, el anclaje, la turbina, el rotor, el generador, los controles y las innovaciones en los materiales.
El enfoque de diseño de sistemas integrados propuesto por NREL tiene como objetivo ayudar a la industria a implementar sistemas de turbinas flotantes rentables para 2030.
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