CENER presentó este mes de enero en la conferencia EERA DeepWind sus últimas soluciones específicamente destinadas a eliminar barreras para el desarrollo de la eólica flotante

Las soluciones están orientadas a mejorar el diseño de los flotadores en sus distintas fases, desde el diseño conceptual hasta los proyectos demostrativos más maduros. CENER presentó resultados sobre la distribución de la presión en el flotador en el dominio del tiempo, soluciones de control para flotadores multi-turbina y la última actualización de la prueba del tanque de agua SiL para flotadores SPM. Además, se mostraron espectaculares resultados de simulación CFD para X-Rotor y una herramienta paramétrica para las primeras fases de diseño de flotadores de turbina o subestaciones.

Del 17 al 19 de enero se celebró en Trondheim, Noruega, el EERA DeepWind, evento internacional que tiene como objetivo presentar las mejores investigaciones e innovaciones en curso relacionadas con los parques eólicos marinos de aguas profundas. CENER mostró su compromiso con la energía eólica flotante presentando los resultados de sus proyectos en curso destinados a facilitar la optimización de la tecnología flotante. CENER presentó con orgullo estos cinco proyectos, seleccionados por el comité técnico de EERA DeepWind, para compartir nuestra experiencia con el sector.

1. Metodología “Software in the Loop“ para ensayo en canal de agua de flotadores con un único punto de amarre expuestos a grandes desplazamientos

Los proyectos de demostración de aerogeneradores flotantes tienen un alto coste de aprendizaje, superior a 25 millones de euros a escala real. Las pruebas de laboratorio en tanques de agua se han consolidado como un hito importante en el desarrollo de los flotadores eólicos. Estas pruebas de laboratorio permiten validar las propiedades del flotador, los modelos digitales totalmente acoplados y el controlador del flotador, así como obtener información sobre el comportamiento real de la solución de amarre, flotador y turbina.

Los laboratorios de pruebas se diseñaron inicialmente para Oil&Gas, naval y otras infraestructuras marinas, donde el viento no era tan relevante. CENER desarrolló en 2011 un método revolucionario para tener en cuenta el empuje del viento durante los ensayos, conocido ahora como Software in the Loop (SiL), que se mejoró para fuerzas multidireccionales en 2016 y ahora se ha mejorado para tener en cuenta los desalineamientos entre las olas y el viento, lo que hace posible probar casos de desorientación, especialmente importantes para los flotadores Single Point Mooring.

Oscar Pires, Ingeniero Senior, responsable de la prueba, declaró: «Los resultados han sido muy satisfactorios, tanto para el flotador de amarre único como para CENER. El flotador ha demostrado su capacidad para orientarse hacia el viento y CENER ha validado su metodología SiL para ensayar casos de operación con desalineamiento.

2. Software OF2

Los diseñadores de flotadores de la industria eólica se enfrentan a otro reto importante: el diseño estructural del flotador y su correspondiente optimización. Para que esto sea posible, es imprescindible conocer la distribución de presiones alrededor de la superficie y la cara interna del flotador. CENER ha resuelto este problema obteniendo la distribución de presiones en el dominio del tiempo para casos de fatiga y cargas extremas creando OF2.

OF2 de CENER es un software que simula el comportamiento de los FOWT teniendo en cuenta la aerodinámica, la aeroelasticidad y el controlador de la turbina eólica, con OpenFAST, mientras que la hidrodinámica se calcula con OpenFOAM. Por lo tanto, OF2 es la fusión de dos herramientas bien conocidas, OpenFAST – OpenFOAM.

OF2, como herramienta aeroelástica, es capaz de simular cualquier caso desde la operación estándar, normal, arranque y parada, hasta condiciones meteoceánicas extremas, tormentas de viento, tifones, olas asesinas, …, con una simulación detallada de efectos hidrodinámicos como «wave splash», desalineamientos entre viento-olas-corriente, movimientos del flotador, “green Waters”, …

Guillen Campaña, Investigador, presentó los resultados obtenidos con OF2 para la simulación de una condición de operación compleja, haciendo posible obtener la distribución de presiones en el dominio del tiempo en el flotador DeltaWind acoplado con un aerogenerador Innwind de 10MW.

La distribución de presiones a lo largo del tiempo en una columna del flotador puede emplearse como entrada para un análisis estructural detallado y proporcionar información valiosa para la optimización de su diseño y sus implicaciones en la vida útil del activo.

3. SCAPO

A medida que los diseñadores de flotadores eólicos van madurando sus soluciones, deben optimizar su flotador en función de las limitaciones específicas del proyecto (presupuesto, infraestructura local, tamaño de las turbinas, …). La optimización debe ser rápida y ajustarse al tiempo limitado de los procesos de licitación.

SCAPO está diseñado precisamente para apoyar esas primeras decisiones de diseño de promotores de parques eólicos y desarrolladores de flotadores. El resultado de SCAPO es una evaluación sistemática y exhaustiva del espacio de diseño, que cuantifica la cantidad de acero necesaria, las dimensiones principales, los pesos, la estabilidad y los periodos naturales en función de los parámetros de diseño. El análisis puede completarse en cuestión de minutos en un ordenador personal estándar.

La herramienta puede evaluar diferentes diseños y configuraciones de flotadores parametrizando aspectos geométricos clave. Jesús Artal, Investigador, presentó un ejemplo de aplicación de SCAPO. La herramienta visualiza la interacción de varios parámetros de diseño y su influencia en aspectos críticos de diseño conceptual, estabilidad, rigidez hidrostática, periodos naturales, CAPEX, etc.

La herramienta puede evaluar diferentes diseños y configuraciones de flotadores parametrizando aspectos geométricos clave. Jesús Artal, Investigador, presentó un ejemplo de aplicación de SCAPO. La herramienta visualiza la interacción de varios parámetros de diseño y su influencia en aspectos críticos de diseño conceptual, estabilidad, rigidez hidrostática, periodos naturales, CAPEX, etc.

4. COCO (Control Coordinador para Multi-Rotor)

 Entre los sistemas flotantes más innovadores están los aerogeneradores multiturbina (FOMWT), en los que dos o más aerogeneradores completos se colocan en la misma plataforma flotante. De este modo, se aprovechan los aerogeneradores comerciales existentes a su potencia nominal actual para lograr rápidamente unidades de generación de mayor potencia, facilitando así las economías de escala.

Existen varios diseños industriales, en diversas fases de desarrollo, que constan de dos o más turbinas. Los FOMWT comerciales también suelen combinarse con líneas de amarre de un solo punto, lo que permite al sistema veleta y alinear los rotores con el viento. Esta combinación de diseño requiere la coordinación dinámica de las turbinas para garantizar la seguridad y obtener un rendimiento óptimo y fiable del activo, en términos de producción de energía, fatiga y cargas extremas.

Un empuje diferencial incontrolado puede provocar una rotación grande o estocástica de la plataforma. Además, los aerogeneradores podrían verse sometidos a condiciones de funcionamiento para las que no están diseñados, poniendo en riesgo la integridad global del sistema, debido a elevadas cargas estructurales o problemas de estabilidad. CENER está desarrollando un control coordinado que tiene en cuenta todos los subcomponentes, y la Dra. Irene Eguinoa, Jefa de Ingeniería de Control, presentó los primeros resultados en DeepWind.

En la fase actual de desarrollo, el COordinated COntroller, COCO, comanda jerárquicamente los controladores individuales de los aerogeneradores, garantizando la estabilidad dinámica y la integridad del activo. También reduce la deriva de la plataforma y el tiempo que los aerogeneradores permanecen en condiciones potencialmente peligrosas.

5. Evaluación del concepto X-Rotor

Además de los trabajos anteriores, la Dra. Beatriz Méndez, responsable de simulaciones CFD, presentó los resultados de las simulaciones de X-Rotor (proyecto de investigación europeo, TRL 2). El concepto disruptivo XROTOR es un aerogenerador híbrido de eje horizontal y vertical. Los aerogeneradores de eje horizontal (rotores secundarios, de 5 metros de diámetro) fijados en el extremo de las palas inferiores del rotor primario tienen un alto nivel de extracción de energía del viento, hasta 2,7MW cada uno, debido a la velocidad de rotación provocada por el giro del rotor primario alrededor del eje vertical.

La comprensión de la aerodinámica del XROTOR supuso un gran reto. Los movimientos relativos entre los rotores y las interacciones entre las palas secundarias y la estela del rotor primario, hacen que la caracterización de los fenómenos no estacionarios que aparecen sea muy complicada. Para este estudio de caso, CENER simuló el concepto XROTOR utilizando la dinámica de fluidos computacional (CFD) y una técnica de mallas deslizantes para comunicar las partes giratorias con las estáticas.

El principal resultado del trabajo de CENER es la producción de potencia, la carga de empuje y las fuerzas aerodinámicas, así como el estudio del campo de flujo para analizar los complejos fenómenos que aparecen. Los socios del proyecto utilizan esta información para validar y calibrar modelos de ingeniería más eficaces a efectos de simulación y diseño de rotores.