Aerogeneradores flotantes: eje horizontal vs eje vertical

Con la necesidad de aumentar la participación de las energías renovables en la producción de energía global y explotar los recursos eólicos marinos, los parques eólicos se están moviendo cada vez más lejos hacia aguas más profundas. En profundidades de agua superiores a 50 m, las estructuras de soporte montadas en el fondo (es decir, fijas) para turbinas eólicas marinas no siguen siendo la opción más viable económicamente.

La industria eólica terrestre ha alcanzado un nivel relativamente maduro, con la mayoría de las turbinas eólicas a gran escala que comparten la misma configuración: eje de rotación horizontal, tres palas, ceñida al viento, velocidad variable y paso de pala variable. Esto ha sido el resultado de varias décadas de investigación y desarrollo, y originalmente se habían considerado varias configuraciones, incluidas las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT) con un número diferente de palas, pero también configuraciones de turbina eólica de eje vertical (VAWT). El diseño convencional surgió como el intercambio técnico-económico óptimo para el mercado eólico terrestre a gran escala.

El mismo "proceso evolutivo" no tuvo lugar para el mercado eólico marino, sustituido por una "marinización" de las configuraciones de confianza utilizadas para el mercado en tierra. Se ha asumido implícitamente que, a pesar de las condiciones ambientales muy diferentes de un entorno mar adentro, la configuración óptima para la turbina eólica es la misma, es decir, la turbina eólica convencional de tres aspas, en contra del viento y en eje horizontal. Esto se ha asumido implícitamente no solo para las configuraciones de turbinas eólicas marinas montadas en el fondo, sino también para los sistemas flotantes propuestos. De hecho, dos prototipos de aerogeneradores flotantes, Hywind y WindFloat, utilizaron máquinas HAWT de 2-2,3 MW diseñadas para cimentaciones fijas en tierra y en alta mar.

Por lo tanto, es importante evaluar las posibilidades técnicas y económicas de los conceptos alternativos para la industria eólica marina flotante a fin de garantizar que se empleen las configuraciones más adecuadas, con VAWTs como un concepto prometedor que podría complementar HAWTs en la industria eólica marina.

Las modernas VAWT en tierra fueron desarrolladas en los años posteriores a la primera crisis del petróleo de 1973. Estos diseños se basaron en una patente de 1922 del ingeniero francés Georges Darrieus, con cuchillas rectas o curvadas girando sobre un eje vertical .

Las décadas de 1970 y 1980 tuvieron una cantidad sustancial de investigación y desarrollo, particularmente en los Estados Unidos y Canadá, que dieron lugar a una serie de turbinas Darrieus con palas curvadas. La VAWT terrestre más grande, construida en 1986 en Québec, Canadá, fue la turbina eólica Eole Darrieus, con una altura de 96 m. Con una potencia máxima nominal de 3,8 MW, produjo 12 GWh de energía eléctrica durante los 5 años que funcionó, pero se cerró en 1993 debido a una falla en el cojinete.

Los intentos de comercializar estos desarrollos VAWT se realizaron en los Estados Unidos durante la década de 1980 por FloWind Ltd. Se desarrollaron varias granjas eólicas en tierra y trabajaron de manera eficiente, aunque experimentaron problemas de fatiga en las palas.

La turbina Darrieus de pala recta o rotor H, fue desarrollada en gran medida en el Reino Unido por Peter Musgrove durante los años ochenta y noventa. El concepto del rotor H era reducir los costes de fabricación de la hoja y simplificar la estructura de soporte, en relación con el rotor, con una torre más corta y eliminando la necesidad de cables de sujeción. Se construyeron varios prototipos en tierra en el Reino Unido, la más grande es una máquina de 500 kW construida en 1990.

A pesar de estos desarrollos de VAWT en tierra, los problemas de fallas de fatiga debido a las cargas altamente cíclicas y la baja demanda en el mercado de energía eólica en los Estados Unidos contribuyeron a una caída en el apoyo financiero para los proyectos de desarrollo de VAWT en la década de los noventa. Sin embargo, la necesidad de turbinas marinas más grandes que puedan utilizar economías de escala y la necesidad de soluciones de aguas profundas ha llevado a un reciente resurgimiento del interés en las VAWT. En una revisión reciente de tecnologías y economía VAWT, Sandia concluyó que las VAWT "tienen ventajas significativas sobre los HAWT en aplicaciones off-shore" y que los diseños H o V-rotor probablemente sean más rentables. Además, recientemente ha habido un pequeño número de proyectos que investigan conceptos flotantes de VAWT, concretamente el proyecto NOVA, el proyecto EU-FP7 DeepWind y el proyecto EU-FP7 INFLOW.

VAWTs versus HAWTs

En esta sección, los VAWT se comparan con HAWT para una serie de aspectos diferentes, destacando tanto las ventajas como las desventajas de esta tecnología.

- Estado de la tecnología: Como los HAWT han sido el foco principal de la industria de la energía eólica en las últimas décadas, su estado de tecnología es más maduro que el de las VAWT, con una gran cantidad de proyectos exitosamente desplegados y la formación de una cadena de suministro especializada. Las VAWT se investigaron a fines del siglo XX, pero el interés se perdió principalmente debido a problemas de fatiga y bajas eficiencias.

- Eficiencia de conversión: La eficiencia teórica máxima de cualquier aerogenerador es 59.3% (el límite de Betz). Los HAWT son inherentemente más eficientes que VAWT con coeficientes de potencia de hasta aproximadamente 50% en comparación con los aproximadamente 40% para VAWT. Esto no debe verse como el factor decisivo entre las dos configuraciones ya que muchos otros factores afectan al costo final de la electricidad. Investigaciones recientes descubrieron que al ubicar dos VAWT muy cerca el uno del otro, la eficiencia de la conversión en realidad puede aumentar en comparación con una única VAWT. Esto puede favorecer el caso de VAWT y afectar el diseño de futuros parques eólicos VAWT.

- Escalabilidad: Este es un factor importante en el diseño de aerogeneradores flotantes, ya que el sistema es más rentable en escalas mayores. Los HAWT tienen un factor límite debido a la fatiga gravitacional ya que las palas se someten a ciclos de compresión de tensión a medida que el rotor gira. Las VAWT no sufren este fenómeno y hasta ahora no parecen tener ningún obstáculo importante en la ampliación.

- Fatiga: Mientras que los HAWT tienen problemas de fatiga gravitacional, los VAWT producen un par cíclicamente variable que puede tener efectos adversos en los sistemas de transmisión y control. En cuanto esto produce ciclos de fatiga de alta frecuencia en VAWT de pequeña escala, los VAWT multimegavatios girarían a unas pocas revoluciones por minuto, donde no sería un problema tan significativo. También con los avances en tecnología de materiales, la fatiga se puede remediar más fácilmente.

- Posición de la maquinaria: Un aspecto muy importante es la posición del sistema de transmisión y generación. En los HAWT está en la parte superior de la torre (considerando las últimas turbinas eólicas marinas, el peso de la góndola alrededor de 400 t, y está a unos 100 m del suelo), induciendo mayor momentos de flexión y movimientos en la torre, que requieren estructuras más grandes y más fuertes. Esto también requeriría una plataforma flotante más grande para manejar las cargas más grandes. Por otro lado, las VAWT generalmente tienen los sistemas de transmisión y generación en la parte inferior, requiriendo pequeñas estructuras de soporte y cumpliendo más con los principios fundamentales de la arquitectura naval.

- Condiciones extremas: Las HAWT suelen estar paradas a velocidades del viento superiores a 25 m/s, mientras que las VAWT, en teoría, deberían poder funcionar a velocidades del viento de hasta 65 m/s. Las VAWT también son mucho más insensibles a las condiciones climáticas extremas, como las fuertes nevadas, las ventiscas, las heladas, la sal, la arena y la humedad.

- Factor de embalaje: En los parques eólicos que utilizan HAWT, las turbinas generalmente se colocan una distancia de hasta diez veces su diámetro entre sí debido al efecto de sus estelas, dejando grandes cantidades de espacio sin explotar entre ellas. Con VAWTs se ha postulado que su estela se disipa mucho más rápido que los HAWT, lo que les permite estar más juntos. De hecho, algunos investigadores encontraron en estudios preliminares que para una VAWT de operación única, la velocidad de flujo requería una distancia de cuatro diámetros de rotor detrás de la turbina para alcanzar el 95% de la velocidad de flujo libre, mientras que se requieren aproximadamente catorce diámetros de rotor en el caso de un HAWT para alcanzar el 95% de la velocidad de ceñida.

- Problemas de instalación: Las turbinas eólicas flotantes ofrecen la posibilidad de que la mayoría de la construcción se realice en el muelle en lugar de en el sitio. Si bien esto es beneficioso tanto para HAWT como para VAWT, los primeros aún requieren grúas muy grandes para montar la maquinaria y las palas, lo que aumenta los costes de capital. Este aspecto también es una ventaja sobre las turbinas eólicas de fijas, ya que generalmente se ensamblan en el sitio.