energía eólica DAVID YÁÑEZ COFUNDADOR VORTEX BLADELESS

El primer aerogenerador sin

palas

El equipo, diseñado por la empresa española Vortex, no utiliza engranajes, rodamientos u otros elementos de contacto susceptibles de desgaste por rozamiento. Actualmente, el proyecto se encuentra en fase de validaciones en campo, probando que la tecnología funciona, y que lo hace en condiciones reales de viento.

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omemos la libertad de coger una hoja en blanco y plasmemos sobre ella aquellas características que harían de un instrumento de generación eólica el dispositivo eólico soñado. Las enormes fuerzas que las turbinas eólicas son capaces de absorber tienen, como efecto secundario, una alta demanda mecánica en aquellos componentes que por contacto se encargan de transmitir la energía del viento al alternador. Estos elementos: engranajes, rodamientos, bujes, etc, sufren un importante desgaste y requieren, para su buen desempeño, de una cantidad sustancial de lubricante. Además, energética

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en muchos casos, es necesario sustituirlos o repararlos a lo largo de la vida útil del equipo, suponiendo un lastre importante en los costes de mantenimiento totales. ¿Es posible imaginar un instrumento de generación eólica que carezca completamente de este tipo de mecanismos? ¿En qué medida se podría reducir así el ruido y la vibraciones audibles en la máquina? ¿Cuál sería su impacto en el LCoE del equipo? El viento es variable tanto en dirección como en intensidad. Para adecuarse a estas condiciones cambiantes una turbina convencional requiere de un control del

ángulo de paso o pitch, un ajuste continuado de orientación, y mecanismos de arranque y freno de las palas. Todos estos actuadores suponen, en el cómputo global de la energía, una costosa reinversión de energía producida. ¿Es posible imaginar un equipo con una simetría axial tal que no requiera de orientación? ¿Pueden idearse mecanismos de control que permitan la adaptación del dispositivo ante regímenes de viento variables y tampoco cuenten con engranajes, rodamientos, rótulas…. y que energéticamente se nutran directamente de la aerodinámica del equipo?

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La muy sencilla y útil idealización de Hellmann subraya el atractivo de los vientos alejados del suelo. Una torre de contención tiene como principal objetivo sostener la góndola para elevar el área de trabajo de las palas y hacer crecer así el tamaño de éstas. Pero esta torre no sólo no actúa directamente en el proceso de absorción de energía sino que interfiere negativamente en la actividad de las palas, representando un volumen de material de en torno a un 50% en peso de todo el equipo. Además desplaza nuestra maquinaria electromecánica a una altura incómoda. ¿Es posible pensar en ubicar un alternador cercano al suelo que permitiera al equipo tener un centro de gravedad más bajo y cuyo elemento de captación de energía cinética del viento eleve implícitamente su área de trabajo? ¿Cuánto nos permite esto reducir la cimentación? De manera muy simplificada, la instalación de una turbina convencional requiere del transporte y colocación de una torre de contención por tramos, una góndola y tres palas. ¿Podríamos instalar un aerogenerador ejecutando una sola operación principal? La ignorancia es muy atrevida y la juventud aún más. Hace más de una década tuve la quijotesca idea de intentar esbozar, con trazo grueso, el aspecto de un instrumento de generación eólica que contara con las citadas características “soñadas”. Tras varios años de trabajo, como era de esperar, esta tarea está aún inacabada, pero creemos haber andado ya un interesante camino. La esencia de las hipótesis de trabajo que estableció Betz no parece ser un obstáculo para su aplicación a geometrías de volumen de trabajo de sección no circular. En las turbinas de eje vertical Savonius, Darrieus, Gorlov, etc. se ha venido aceptando la referencia a este límite que, de la misma manera que un tripala de eje horizontal, escapa de algunas de estas premisas como, por ejemplo, la suposición de incompresibilidad del aire. No olvidemos que en la punta de una pala se alcanzan velocidades de varias décimas de Mach. Planteemos entonces como “placa porosa” un sector de círculo sobre cuyo vértice oscila un elemento esbelto, hueco y de sección circular que, a modo de pala, absorbe la energía cinética del viento gracias

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a la generación de vórtices de Von Karman. Dicho elemento estará fabricado de materiales bien conocidos por la industria eólica como es la fibra de vidrio, fibra de carbono y resinas. Para minimizar pérdidas, al mástil, sostenido por una varilla elástica también de sección circular y de un diámetro muy inferior, se le supone esencialmente rígido y capaz de cimbrear. Esta varilla se encuentra empotrada en un extremo al mástil y al suelo en el otro extremo. Para su fabricación se seleccionará material de elevado factor de calidad mecánico (bajas pérdidas viscosas en su estructura), y una elevada resistencia a la fatiga, léase, fibra de carbono. Con una mayor amplitud de

¿Es posible imaginar un instrumento de generación eólica que carezca completamente de este tipo de mecanismos?

oscilación se logra una mayor área barrida por el dispositivo. Actualmente, para modelos sin amortiguamiento diferente al estructural y al aerodinámico, y con un factor de esbeltez promedio de 1:14 se está alcanzando un desplazamiento máximo en su parte más elevada de en torno a un diámetro. Esto supone un área barrida equivalente al 30% de la que barre un aerogenerador convencional de una dimensión parecida. La capacidad del mástil para absorber energía en su interacción con los vórtices es muy dependiente del coeficiente de sustentación promedio resultante en toda su longitud. Los resultados que he-

mos obteniendo vía CFD y en modelos de túnel de viento indicaron que podríamos acercarnos al 40% sobre el total de potencia contenida en la masa de aire. Esta cantidad de energía no es depreciable, y es legítimamente comparable a la de otros aerogeneradores. Una vez alcanzada una capacidad de absorción de energía aerodinámica razonable debemos de hacer frente al, quizá, mayor reto inventivo al que se enfrenta este concepto. Diferentes velocidades de aire producen frecuencias de aparición de vórtices variables. Si no hacemos nada, la frecuencia de oscilación natural de la estructura en su primer modo de oscilación es única y el rango de velocidades de viento al que el dispositivo resuena queda reducido al conocido como rango de “lock-in”. En ensayos de campo reales, el rango de lockin es apenas de unos pocos metros por segundo y, a pesar de alcanzar la citada resonancia, el rendimiento aerodinámico no es siempre el máximo. Por ello, debemos integrar en nuestro equipo un “mecanismo” que no viole el espíritu principal del concepto, es decir, que no utilice engranajes, rodamientos u otros elementos de contacto susceptibles de desgaste por rozamiento. La solución a este problema vino con la introducción de una elasticidad variable con la amplitud de oscilación de la varilla. Así, a mayor velocidad de viento el dispositivo opera a una mayor amplitud y también a una mayor frecuencia. Desde luego que sería más cómodo no tener que pagar este “coste”, pero afortunadamente dicho incremento de amplitud no es ni mucho menos proporcional al incremento de la frecuencia y su efectividad es más que correcta. En ensayos reales en campo, y con un sintonizado aún mal dimensionado, uno de nuestros prototipos es capaz de trabajar el 86% de las horas del año. Finalmente debemos de transformar la energía mecánica que la estructura ha sido capaz de absorber en energía eléctrica. Ni que decir tiene que la curva de potencia del dispositivo tendrá una morfología semejante a las que ya conocemos, dado que en ella influyen más aspectos externos (variación de la energía contenida en el viento, dimensionamiento de los conductores de la red, etc.) que internos. Aquí se plantean un par de opciones. La primera es la utilización de material pieenergética

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Los costes de explotación para una misma cantidad de energía producida podrían verse reducidos en un 53%

zoeléctrico sobre el que aplicar directa o indirectamente la oscilación del equipo. El rendimiento en la conversión de energía mecánica en energía eléctrica en alguno de estos materiales es muy respetable (superior a un 80% de rendimiento en ciertas cerámicas como, por ejemplo, el PMN-PT). El problema para la generación masiva de energía con materiales piezoeléctricos viene de la densidad de potencia de éstos materiales: la masa de material necesaria para obtener una cantidad de energía determinada. En este sentido se han realizado grandes avances en los años más recientes. Depositando una disolución de cerámica y plástico piezoeléctrico en nanofilamentos bien polarizados con técnicas electrostáticas de fácil escalado se ha logrado incrementar esta característica en dos órdenes de magnitud. Saltos de este tipo pueden hacer viable en el medio y largo plazo la utilización de estos materiales para la generación de energía. La segunda opción para obtener energía eléctrica es más convencional: inducción electromagnética. Para ello nos encontramos con un reto semejante a la eólica convencional, en la que se ha de multiplicar la velocidad de rotación de las palas para alcanzar variaciones del campo magnético suficientemente rápidas. Una vez que los tripalas han alcanzado tamaños notables se están pudiendo diseñar alternadores con un estator y un rotor de suficiente diámetro como para prescindir de multiplicadora. De igual modo, con un tamaño de mástil suficientemente grande podría utilizarse el desplazamiento propio del equipo energética

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para inducir a las espiras una fuerza electromotriz de manera directa. Mientras esto llega, debemos de emplear estrategias que nos permitan multiplicar nuestra velocidad de desplazamiento efectivo entre estator y ‘oscilator’, adaptándonos a la tipología específica de nuestro movimiento. Para lograrlo hay varias alternativas y en todas ellas se mantiene la ausencia de elementos mecánicos que puedan sufrir desgaste por rozamiento. Los primeros resultados apuntan a que se podría alcanzar un rendimiento de entre un 70% y un 85% respecto de un alternador rotativo convencional. Una de las posibles debilidades de nuestro equipo podría ser la fatiga de materiales. Si bien no sufre ningún tipo de desgaste por rozamiento, debemos gestionar correctamente las tensiones a las que se someten, debido a la flexión, algunas de las partes de nuestra estructura. Hay mucho conocimiento acumulado sobre este tema en materiales clásicos como aceros, aluminios, etc., pero, para materiales compuestos, la experiencia histórica es más reducida. Una buena parte de nuestros muy limitados recursos la estamos destinando a estimar la incidencia de este problema. Alcanzando un buen equilibrio entre todos los compromisos operativos del equipo y cruzando la analítica con herramientas CFD, creemos que la aparición de efectos perjudiciales originados por la fatiga podría producirse después de una vida operativa de entre 32 y 96 años. De todos modos, debemos de tomar este dato de manera muy conservadora y sólo la experiencia arrojará el dato real.

Finalmente, hemos tratado de valorar con prudencia cuáles serían los resultados de un planteamiento tan disruptivo como éste. Las valoraciones descritas a continuación son tremendamente arriesgadas y la realidad económica global, la variación del coste de las materias primas, la industria, la economía de escala y un largo etc., legitimarán o desmentirán su veracidad. Los costes de explotación para una misma cantidad de energía producida, incluyendo las labores de operación y mantenimiento, el alquiler de terrenos, seguros y otros de carácter administrativo, podrían verse reducidos en un 53%. Los costes de fabricación podrían ser inferiores en un 51% y el LCoE final para instalaciones onshore típica se acercaría al 35 €/MWh. Aún queda mucho por demostrar. Los tres socios David Yáñez –inventor y responsable tecnológico–, Raúl Martín –responsable de organización– y David Suriol –responsable de negocio– nos sentimos enormemente afortunados de estar dedicando nuestro trabajo a un proyecto como Vortex y sentimos el aliento y el amplio respaldo de muchas personas y entidades que participan a diario de este sueño. Actualmente estamos con validaciones en campo, viendo que la tecnología funciona, y que lo hace en condiciones reales de viento. Estos dos años y la financiación de inversores privados, Fundación Repsol y CDTI nos han permitido crecer en número de personas en la empresa, alcanzar los objetivos tecnológicos planteados y patentarlos para alcanzar la mayor protección de las distintas partes de Vortex. Tras todos estos meses de desarrollo, innovación y demostración, nos empuja a dar el salto en las necesidades de financiación. Se abren nuevas puertas de industrias del sector eólico y de fondos privados de capital riesgo principalmente de EEUU 7

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