Palas mejores y más grandes para aerogeneradores

• Algunas turbinas marinas podrían barrer el cielo en un futuro cercano con palas de 110 metros de largo.

A medida que las turbinas eólicas de Europa crecen en tamaño, con palas individuales que pronto serán más largas que un campo de fútbol profesional, el mayor desafío será entregar más potencia con menos desgaste.

Europa está llena de viento y lo está aprovechando. Se prevé que la energía eólica sea la que más contribuya a los objetivos de energía renovable de la UE, siendo esto un factor clave para que Europa se vuelva climáticamente neutra, un objetivo que la UE quiere alcanzar para 2050. Las tecnologías y herramientas locales ayudarán a Europa a cumplir sus objetivos climáticos al tiempo que mejoran la competitividad del ecosistema eólico de la UE en el escenario mundial y crear nuevos empleos verdes.

Los vientos del cambio

En 2020, la energía eólica cubrió aproximadamente el 16% de la demanda de electricidad de Europa, incluida la mayoría de las instalaciones en tierra y una fracción en alta mar, tanto flotantes como fijas.

Europa tiene planes para aumentar significativamente la apuesta, con proyecciones para aumentar la generación total de energía eólica en aproximadamente un 50% durante los próximos 5 años. El aumento del rendimiento energético se logrará no solo con más instalaciones, sino también con aerogeneradores que pueden generar más energía que sus predecesores y que están menos fuera de servicio por mantenimiento y reparaciones.

Los aerogeneradores son enormes, rápidos (considerando su tamaño y peso) y están sujetos a condiciones de trabajo muy duras.

De 2000 a 2018, la longitud media de las palas de las turbinas eólicas se duplicó con creces. Se espera que los modelos más nuevos alcancen longitudes superiores a los 85 metros para 2025. Algunas turbinas marinas podrían barrer el cielo en un futuro cercano con palas de 110 metros de largo, un diámetro de rotación de dos campos de fútbol de punta a punta.

Cuanto más grandes son las hojas, más rápido se mueven las puntas y mayor es la erosión en sus bordes de ataque. La industria ha logrado un enorme progreso tecnológico en materiales, diseño y fabricación. Aún así, colocar hojas más grandes que entreguen más potencia con menos desgaste es un desafío tremendo.

Afortunadamente, la UE tiene un plan que incluye mejorar la resistencia a la degradación, que solo aumentará con palas más grandes y más y más eventos climáticos extremos, y un mejor monitoreo no destructivo para detectar defectos temprano, incluso durante la fabricación.

Una armadura que ‘da’

Para resistir las fuerzas de la naturaleza y las enormes fuerzas que genera la rotación en sí, las hojas se fabrican con una «capa de armadura» de varias capas. Normalmente, la capa exterior se erosiona durante el funcionamiento y las capas interiores pueden desprenderse.

Según Asta Šakalytė, director de investigación y desarrollo de Aerox Advanced Polymers, SL, aunque la vida útil de una turbina es teóricamente de 25 años, los sistemas de tamaño medio actuales normalmente requieren un mantenimiento extenso de unos 10 años debido al deterioro de las palas. Los más nuevos con diámetros de rotación más grandes muestran una erosión severa para el segundo año de servicio.

Para abordar el problema, Aerox desarrolló AROLEP® , un sistema de protección de vanguardia patentado y pionero que ahora está listo para el mercado gracias al trabajo realizado por el proyecto LEP4BLADES.

A diferencia de los recubrimientos convencionales que puede encontrar en las tuberías, el recubrimiento de Aerox es viscoelástico, lo que significa que cede o, más precisamente, se deforma bajo tensión y rebota. Como explicó Šakalytė, ‘esto se logra con una combinación de dos polímeros con diferentes propiedades complementarias. El recubrimiento AROLEP® puede absorber impactos de alta velocidad y alta frecuencia causados ​​por gotas de lluvia y otras partículas que golpean el borde de ataque de la hoja. La modificación a medida de las propiedades del polímero garantiza que el revestimiento y los materiales de la cuchilla funcionen juntos para que los efectos del impacto se disipen por toda la estructura de la cuchilla ‘.

Las pruebas de rendimiento independientes demostraron que AROLEP® protege la integridad de las hojas mejor que cualquier otra solución disponible, y se puede utilizar tanto para hojas nuevas como para las que ya están en servicio.

La aceptación del mercado debería tener un efecto dominó significativo para los consumidores: ahorros significativos en mantenimiento, reparación y tiempo de inactividad que se traducen en menores costos de energía. Mientras tanto, Aerox continúa mejorando la formulación mientras apunta a revestimientos y adhesivos novedosos para palas futuras que podrían ayudar a que la fabricación de turbinas eólicas sea un negocio sin desperdicio.

Y un ángel para cuidarlos

Los recubrimientos están diseñados para minimizar el daño, pero no pueden prevenirlo por completo. Las tecnologías mejoradas de monitorización de la salud estructural podrían detectar defectos tempranos antes de que la balanza se vuelque y la reparación o reemplazo genere problemas financieros y prácticos tan grandes como las propias turbinas.

Las fallas de las palas son un problema importante para la industria de las turbinas eólicas. Aproximadamente un tercio de los miles de millones de euros anuales que se destinan a la operación y mantenimiento (O&M) de los aerogeneradores se destina a la inspección y / o reparación de revestimientos de palas.

Hasta ahora, había sido imposible identificar defectos internos en los revestimientos de las palas. La inspección visual es el método de elección durante la fabricación y el mantenimiento, pero no detecta los defectos que se esconden debajo de la superficie.

Incluso los métodos de inspección tecnológicamente avanzados, como las tecnologías inductivas y de ultrasonido, se quedan cortos en lo que respecta a los revestimientos de las palas de las turbinas eólicas. Requieren un contacto que puede dañar las hojas y los recubrimientos, especialmente si están mojados, y no pueden analizar capas individuales, solo el espesor total.

Una forma de ver el interior de los recubrimientos multicapa puede encontrarse en la región de terahercios (THz) del espectro electromagnético, entre las frecuencias de microondas e infrarrojas. Puede ‘ver’ a través de las cosas e identificar lo que hay adentro, y su composición química y propiedades eléctricas, de una manera no destructiva, no invasiva y no ionizante.

Hasta hace unas décadas, era difícil aprovechar su potencial, en parte debido a nuestra incapacidad para generar y detectar las olas de manera eficiente. Pero eso está cambiando ahora con la tecnología patentada THz desarrollada específicamente para uso industrial por das-Nano e introducida en el mercado en el contexto del proyecto NOTUS .

Según Eduardo Azanza, director ejecutivo de das-Nano y coordinador de NOTUS, ‘NOTUS es la primera herramienta sin contacto para la inspección de materiales no destructiva diseñada específicamente para la inspección de turbinas eólicas. Puede realizar una caracterización profunda de capas individuales de cualquier estructura de recubrimiento y cualquier hoja, independientemente de los materiales, lo que permite la cuantificación de la adherencia entre capas ‘.

NOTUS está disponible en tres versiones para aplicaciones a lo largo del ciclo de vida de las palas que respaldan el desarrollo, la fabricación, la operación e incluso la inspección por parte del personal receptor o las compañías de seguros. Podría ahorrar a los operadores de parques eólicos aproximadamente un 10% de los costos de operación y mantenimiento según las estimaciones de Azanza.

Y los parques eólicos no son los únicos que se beneficiarán. NOTUS trabaja con todo tipo de sustratos multicapa, incluidos metal, composite y plástico. Se adapta a superficies planas y curvas y pinturas secas, húmedas y curadas.

La tecnología THz también permite la caracterización eléctrica de materiales avanzados como grafeno, materiales 2D, películas delgadas y materiales a granel.

La investigación en este artículo fue financiada por la UE. Si le gustó este artículo, considere compartirlo en las redes sociales.
Fuente: Este artículo fue originalmente publicado en Horizon, the EU Research and Innovation magazine