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Tercer Milenio

Proyecto Carbo4power

Turbinas contra viento y marea: resistencia y eficiencia en alta mar

Una nueva generación de materiales ligeros, de alta resistencia, multifuncionales y digitalizados está en el horno. Su destino son las palas de rotor de turbinas mareomotrices y eólicas marinas. Su objetivo, aumentar su rendimiento y duración, reducir costes y favorecer su reciclaje. Itainnova participa en el proyecto europeo Carbo4power que, de 2020 a 2024, dará respuesta a estos retos del sector de la energía en alta mar.

Parque eólico en el mar, cerca de la isla danesa de Samso.
Parque eólico en el mar, cerca de la isla danesa de Samso.
Bob Strong / Reuters

Las renovables se extienden por tierra, mar y aire y tener turbinas girando continuamente en alta mar pone a los materiales en aprietos, especialmente cuando las dimensiones de sus palas superan los 100 metros, como ya ocurre en las turbinas eólicas ‘off-shore’. Estos retos están impulsando el desarrollo de una nueva generación de materiales digitalizados, multifuncionales, de alta resistencia y ligeros para palas de rotor de turbinas en alta mar –eólicas y mareomotrices– que aumentarán su rendimiento operativo y durabilidad, al tiempo que reducen el coste de producción de energía, el mantenimiento y su impacto ambiental. En ello están los 18 socios de ocho países que, bajo la dirección de R-nano la Universidad Técnica Nacional de Atenas, participan en el proyecto Carbo4power.

Con el fin de mejorar la producción energética, las turbinas eólicas cada vez están incorporando palas más grandes. "Esto es particularmente interesante para las instalaciones ‘off-shore’, donde, además, el viento alcanza mayores velocidades y suele ser menos variable en el tiempo", explica Agustín Chiminelli, responsable del proyecto en Itainnova.

Que la pala de una turbina eólica llegue a medir más de 100 metros trae consigo retos adicionales relacionados con su fabricación, manipulación y transporte. "Todas estas operaciones resultan más complejas y costosas conforme aumenta el tamaño de las palas; también aparecen mayores exigencias en cuanto al diseño estructural y, finalmente, el mantenimiento ‘off-shore’ también presenta mayores dificultades", reconoce.

Por su parte, dentro del agua, las turbinas mareomotrices se ven afectadas por fenómenos como el ‘bio-fouling’ (la deposición de microorganismos en superficie) y la generación de burbujas o cavitación, "que reducen la vida de las palas y afectan a las superficies, mermando la eficiencia de las turbinas".

La nanoingeniería y unas arquitecturas inteligentes están detrás de los innovadores multimateriales híbridos que desarrolla Carbo4power con financiación del programa europeo Horizonte 2020. 

Nueva generación de materiales

En primer lugar, hay un conjunto de tecnologías orientadas a que las palas sean más duraderas y requieran menor mantenimiento. Es el caso de "materiales y uniones adhesivas que los hacen más resistentes; nuevos recubrimientos que, entre otras cosas, reducen notablemente los fenómenos de ‘bio-fouling’; y técnicas de monitorización estructural, que también permiten alargar la vida útil de estos componentes y reducir las operaciones de mantenimiento", enumera.

En segundo lugar, el proyecto cubre nuevos desarrollos de resinas, composites y adhesivos, orientados a que las palas sean más fáciles de reciclar, reparar y reutilizar. Entre ellos están la implementación de resinas 3R y las uniones adhesivas estructurales que pueden desensamblarse.

Otro de los objetivos del proyecto es poner a punto estrategias para conseguir palas modulares, "es decir, que son fabricadas en distintos tramos que se unen en campo antes de la instalación". Interesa que sea así porque reduce los problemas logísticos de tener que mover piezas tan enormes y reduce costes de fabricación, "aunque introduce nuevos retos relacionados con el ensamblado en campo".

Los materiales se estudian y diseñan utilizando modelos computacionales que permiten predecir las propiedades finales según su estructura interna, a pequeña escala. Chiminelli explica que "es mirar el material en el microscopio y crear un equivalente virtual en el que puedo analizar qué parámetros dominan su comportamiento y proponer luego cambios para mejorarlo".

Con esta nueva generación de materiales para turbinas mareomotrices y eólicas marinas se persigue aumentar su rendimiento operativo y durabilidad, lo que se traduce en menores costes de producción de energía: por debajo de 10 céntimos de euro/kWh para turbinas eólicas y 15 céntimos de euro/kWh para mareomotriz.

En los últimos años, se está experimentando "un claro crecimiento de este tipo de parques eólicos en alta mar, y se prevé que esta tendencia continúe en el futuro –considera–. Algo similar, aunque con mayor lentitud y con un nivel de madurez tecnológica algo menor, se puede decir en cuanto al desarrollo de turbinas mareomotrices". Unas perspectivas a futuro que impulsan el estudio de soluciones como las que aborda el proyecto Carbo4power.

Qué hacer con las palas cuando alcanzan el final de su vida

La vida de una pala es de unos 25 años y, con todo lo que se ha potenciado la energía eólica –tanto en el mar como en tierra (‘on-shore’)–, "es esperable que, dentro de poco tiempo, nos encontremos con una gran cantidad de palas que ya no pueden operar –reflexiona Agustín Chiminelli desde Itainnova–, y hay que encontrar soluciones que no sean simplemente llevarlas a un vertedero o cementerio". 

Para dar respuesta a este problema, el proyecto europeo Carbo4power propone que los segmentos de pala se diseñen y fabriquen mediante tecnologías de conformado de compuestos avanzadas, más automatizadas, y optimizando el uso de los materiales. De este modo, se reducirá aproximadamente un 20% la producción de residuos. Con el enfoque, además, de conseguir múltiples ciclos de vida de procesamiento, es decir, que los materiales se puedan reciclar varias veces.

Por otro lado, gracias a las funcionalidades avanzadas de las resinas 3R y los adhesivos con propiedades de desunión bajo demanda, el reciclaje de los materiales de las palas se incrementará hasta en un 95%. Porque, ahora, les pedimos a los adhesivos una cosa y la contraria, pensando en reciclar. "El hecho de que los adhesivos permiten generar uniones muy resistentes entre distintos materiales o componentes para hacerlos trabajar de forma conjunta se convierte en ocasiones en un problema de cara al reciclado o la reutilización", indica Chiminelli. En algunos casos, "estas operaciones requieren poder volver a separar las piezas pegadas, intentando dañarlas lo menos posible si se pretende luego reutilizarlas". 

Una de las líneas de investigación en las que está trabajando Itainnnova dentro del proyecto busca solucionarlo desarrollando soluciones adhesivas "en las que las uniones mantienen sus prestaciones en servicio, pero se introduce una nueva funcionalidad que permite, mediante la aplicación de un ciclo de temperatura controlado, degradar las mismas en el momento en que se requiera para proceder al desensamblado". Esto se consigue, aclara, "introduciendo un mecanismo de degradación en los adhesivos que se activa bajo unas condiciones concretas que no se dan durante el funcionamiento normal del componente".

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