Generadores eólicos de gran potencia, ligeros, a un coste competitivo y para entornos offshore

Suprapower es un proyecto de investigación financiado por el Séptimo Programa Marco de la Unión Europea orientado al desarrollo de una turbina eólica offshore de 10 MW de potencia. Esta turbina está basada en un concepto innovador de generador eléctrico superconductor patentado por Tecnalia mediante el cual se consigue reducir peso y disminuir costes de la turbina. El objetivo principal del proyecto es desarrollar este concepto de generador y las tecnologías superconductoras y criogénicas asociadas. Según explica Ainhoa Pujana Goitia, miembro del equipo técnico de Suprapower, en 2016 se realizará una validación del mismo, mediante una máquina a escala reducida empleando los elementos superconductores y criogénicos clave a escala real.

Existe una necesidad clara por parte del sector eólico, sobre todo el offshore, de lograr una importante reducción de costes. Para ello, se considera clave el empleo de aerogeneradores de potencia superior a los actuales. Sin embargo, las tecnologías utilizadas hoy en día en generadores eólicos difícilmente podrán escalarse por encima de los 10 MW debido al elevado peso y volumen que adquiriría el sistema de extracción de potencia. En este sentido, el concepto de generador eólico superconductor de Tecnalia responde a la demanda de un generador eólico de gran potencia, más ligero que los convencionales, a un coste competitivo y concebido para trabajar en un entorno offshore.

El proyecto está compuesto por un consorcio de nueve socios liderados por Tecnalia. Este consorcio cuenta tanto con empresas como centros de investigación europeos con mucha experiencia en los sectores de la superconductividad, la criogenia, la eólica y los entornos offshore. Toda la información relativa al proyecto y sus participantes puede consultarse en la siguiente web www.suprapower-fp7.eu.

Tecnalia lleva trabajando en la aplicación de la superconductividad a generadores eólicos desde 2008 con un equipo de cuatro personas dedicadas a tiempo completo y una inversión importante con fondos propios en este periodo. Como resultado de este trabajo, en el año 2009 se patentó un generador eólico superconductor de accionamiento directo (EP2521252A1) (ver figura 1)

Actualmente, este generador se está desarrollando en el marco del proyecto Suprapower que comenzó en 2013 y cuya finalización está prevista a finales de 2016 con la validación experimental del concepto. Cuenta con un presupuesto global de 5,4 millones de euros y una financiación por parte de la EU de 3,9 millones de euros.

La superconductividad es un estado de la materia carente de resistencia eléctrica en el cual algunos materiales pueden conducir hasta 100 veces más intensidad eléctrica que el cobre para las mismas dimensiones. Este estado viene determinado por tres magnitudes críticas: temperatura (Tc), densidad de corriente (Jc) y campo magnético aplicado (Hc). Estas magnitudes definen una superficie crítica que separa las fases superconductora y resistiva. Para el caso del generador en desarrollo en Suprapower, el material superconductor empleado para las bobinas es el diboruro de magnesio (MgB2) y operará a una temperatura de -253 °C, circulando por él 95 A y estando sometido a un campo magnético de 1,3 T.

La turbina eólica considerada en Suprapower es similar a una convencional salvo en lo que respecta al generador eléctrico. Así, en Suprapower se emplea un generador síncrono de accionamiento directo y polos salientes con bobinas de campo fabricadas con cinta superconductora de MgB2, en lugar del cobre que se emplea en las bobinas de las máquinas convencionales. Cada una de las bobinas superconductoras va alojada en el interior de un criostato modular en el que, mediante un sistema de enfriamiento por contacto, se mantendrán a una temperatura criogénica adecuada (-253 °C) que permita mantenerlas en estado superconductor, eliminando así las pérdidas resistivas.

Generador síncrono superconductor integrado en una turbina eólica en el mar.

El mayor beneficio del uso de la superconductividad en máquinas eléctricas rotativas es la capacidad de generar altos campos magnéticos, con la consecuente reducción de tamaño y peso con respecto a una máquina convencional de similares características. También puede mejorarse la eficiencia, incluso incluyendo en el balance el gasto energético necesario para la criogenización de la máquina, ya que se eliminan las pérdidas resistivas en las bobinas del rotor.

El problema radica en que, a partir de una cierta potencia que nosotros estimamos como 10 MW, los generadores eléctricos actuales alcanzan tal tamaño y peso que no hace económicamente viable su utilización en aerogeneradores. Debido a esto, nuestra propuesta es aplicar la tecnología superconductora para obtener unas reducciones de peso y tamaño entorno a un 30% con respecto a los generadores actuales.

Cuanto más ligera sea la estructura existente en lo alto de un aerogenerador, más sencilla y económica será su estructura portante. Además, la reducción de peso aporta simplicidad en labores de instalación, operación y mantenimiento en mar, lo que se traduce finalmente como una reducción del coste de la energía.

Los retos existentes son enormes. Hay que tener en cuenta que aún a día de hoy es una tecnología de la que no existe mucha experiencia. A lo largo de los 6 años que Tecnalia lleva trabajando en ello nos hemos enfrentado a numerosos obstáculos que hemos ido salvando poco a poco, siguiendo un proceso de aprendizaje y adquiriendo un conocimiento que nos está permitiendo abordar el proyecto Suprapower. La parte más crítica del proyecto es la fabricación de las bobinas y su ensayo.

Es necesaria una manipulación del hilo muy particular y su refrigeración a temperaturas criogénicas (-253 °C). Para ellos, Tecnalia dispone de un laboratorio de Superconductividad construido específicamente para la investigación en este campo.

El objetivo de este proyecto es validar los fundamentos de la tecnología superconductora aplicada en máquina eléctrica, para lo cual se va a construir un prototipo a escala reducida pero que emplea elementos clave a escala real, como las bobinas superconductoras y criostatos, y además utiliza el mismo sistema de enfriamiento.

Pues para desarrollar la turbina eólica a escala real y validarla en un entorno offshore, será necesario un proceso de industrialización a llevar a cabo por empresas del sector eólico. El objetivo de Tecnalia será licenciar la patente a estas empresas, transferirles el conocimiento acumulado y apoyarles en el proceso de industrialización.