Aerogeneradores sin aspas, un desafío de la ingeniería

El funcionamiento de Vortex Bladeless está basado en un concepto radicalmente distinto a la tecnología eólica que conocemos hasta la fecha. El dispositivo captura la energía a partir de un fenómeno de vorticidad, cuyo efecto aerodinámico ha dado muchos problemas tanto a ingenieros como arquitectos: Se denomina Vortex Shedding o vórtices de Von Karman. Cuando un fluido se enfrenta a un obstáculo y bajo ciertas condiciones, éste lo salva generando un flujo cíclico de vórtices o remolinos. Si estos son lo suficientemente fuertes y estables, la estructura sobre la que circula el fluido se ve sometida a fuerzas cíclicas que pueden provocar un movimiento oscilatorio. Si este movimiento es lo suficientemente grande, la estructura puede entrar en un fenómeno de resonancia e incluso colapsar. De hecho, algo parecido ocurrió en un caso ya clásico de estudio, el Puente de Tacoma-Narrows, el cual se vino abajo sólo tres meses después de su inauguración debido a la combinación de efectos aeroelásticos, íntimamente relaionados con este efecto de ‘vortex shedding’, como el ‘flattering’ o el ‘galloping’.

En el mundo de la ingeniería, con frecuencia tratan de evitarse estos efectos dado al perjuicio que pueden provocar en las infraestructuras que los padecen. Sin embargo, Vortex ha sido diseñado para maximizar el efecto del Vortex Shedding, buscando la máxima absorción de energía posible. Esto supone que tanto el diseño como la apariencia del aerogenador Vortex es radicalmente diferente a una turbina eólica convencional. En vez de las típicas palas, góndola y torre; este dispositivo consta de un núcleo flexible, un generador y un mástil de sección cilíndrica, hueco, muy rígido y extremadamente ligero.

Una característica esencial de nuestro diseño es que elimina elementos móviles en contacto, evitando la necesidad de lubricación y el desgaste.

Como es sabido, cualquier estructura tiene unas determinadas frecuencias de resonancia, por lo que según lo descrito hasta aquí provocaría que Vortex solo trabajara en un reducido rango de velocidades de viento. Para completar el diseño se ha añadido un sistema de sintonizado basado en un acoplamiento magnético, lo que permite ampliar sus horas de funcionamiento. Este sistema permite maximizar el tiempo en el que se produce el acoplamiento, de tal manera que la amplitud de oscilación aumenta ligeramente cuando sube la velocidad del viento, y mediante fuerzas de repulsión se consigue el cambio de rigidez del sistema que estabilizan el movimiento oscilatorio y la maximización de la energía extraída. De esta forma, conseguimos que el efecto de resonancia permanezca en el tiempo de un modo pasivo, es decir, el sistema se ‘autosintoniza’ a diferentes velocidades de viento.

La primera de las principales ventajas de Vortex es su bajo coste. El coste de generación (LCOE) para una instalación promedio de generación industrial se estima será de 0,035 $/kWh (aproximadamente unos 35 €/MWh), incluyendo costes de fabricación, operación y mantenimiento, diseño, arrendamiento de terrenos, seguros y otros gastos administrativos.

Todo esto colocará la tecnología en un lugar privilegiado en cuanto a la inversión requerida, siendo competitiva no sólo con energías renovables, sino que también con las conocidas como tecnologías convencionales (Nuclear, Ciclos combinados de G.N, …) como se indica en el gráfico:

Esta reducción en los costes radica en los costes de fabricación: Los relativos a torre y el equipo de generación son, siendo conservadores, iguales que para Vortex. Sin embargo, se eliminan todos los costes asociados a la fabricación de la góndola, todos los mecanismos de apoyo y de las palas, que son los costes principales para la tecnología eólica. El ahorro en estos costes esta estimado en un 51% respecto a la eólica convencional. Además, los procesos de fabricación, transporte, construcción y montaje también son más sencillos que en la eólica convencional.

Existe otro factor diferenciador que otorga a Vortex una clara ventaja competitiva. Debido a que la posición del alternador (y por ello del centro de gravedad) está cercano al suelo se simplifican enormemente las operaciones de montaje, operación y mantenimiento, aparte de la reducción en un 50% de la cimentación que sirve de soporte a la estructura eólica. En una turbina con palas, la góndola suele estar posicionada a una altura superior a los 80 metros.

El diseño elimina completamente todos los elementos mecánicos en contacto, expuestos a desgaste por fricción, ahorrándose hasta un 53% de los costes de operación y mantenimiento sobre los asumidos por la eólica convencional. Vortex elimina toda necesidad de lubricación y/o el recambio de partes mecánicas en contacto que, a lo largo de los 20 años de vida útil media de una turbina eólica, son tan importantes en los aerogeneradores actuales.

Uno de los prototipos desarrollados por David J. Yáñez, David Suriol y Raúl Martín.

Por supuesto, el diseño no es inmune a la fatiga. El viento provoca giros y desplazamientos sobre la estructura, absorbidos principalmente por el núcleo elástico, especialmente sensibles en las secciones más bajas debido a los requerimientos mecánicos más severos. Los trabajos llevados a cabo por la compañía, confirman que las tensiones generadas en el núcleo están lejos de los límites de fatiga de los materiales, en este caso de fibra de carbono. Se estiman computacionalmente tiempos de operación del equipo de entre 32 y 96 años.

Si comparásemos equipos de la misma altura, Vortex barre aproximadamente un 30% del área de un generador eólico convencional, con una amplitud máxima de aproximadamente un diámetro en la parte superior. Captura aproximadamente un 40% de la energía cinética contenida en el viento. El sistema presenta hoy perdidas no despreciables y debidas a la capacidad de conversión de energía (llegando a un 70% de rendimiento), debido a que el diseño está completamente enfocado a evitar la fricción y/o desgaste.

El impacto sobre las aves se espera que sea inapreciable, debido a que Vortex no requiere de tanta área barrida para producir energía, ni se mueve a tan alta velocidad como las palas de las turbinas eólicas, provocando que las aves tengan una mejor visibilidad de los dispositivos, y por ello que las colisiones sean prácticamente inexistentes. Para poner un ejemplo, la punta de pala de un aerogenerador convencional llega a puntas de 250-300 km/h. Vortex, no superará los 40 km/h en la parte más alta para dimensiones que superarán los 150 m de altura.

La frecuencia de oscilación del equipo está muy por debajo de los 20 Hz, por lo que el impacto sonoro del equipo es a primera vista inexistente, abriendo la posibilidad a crear futuras granjas de generación eólica completamente silenciosas y acercando esta tecnología al punto de consumo en el hogar, como hacen las placas solares.

Y puesot que Vortex ni mata pájaros ni provoca ruido, varios grupos medioambientales, incluyendo la asociación SEO/Birdlife están apoyando activamente el desarrollo y la promoción de Vortex.

Para demostrar la viabilidad de la tecnología, Vortex Bladeless ya ha diseñado docenas de prototipos en túnel de viento, y actualmente está optimizando el diseño en pruebas de campo para completar equipos de pequeña escala.

El primer Vortex que se introduzca en el mercado estará enfocado a la producción de energía en pequeña escala. El primer modelo tendrá una altura aproximada de 1 metro, con un peso inferior a 1 kg y servirá para la carga de sensores remotos y además como demostrador tecnológico. Este Vortex se espera para el primer trimestre de 2016.

El primer producto destinado a uso residencial, y que se espera para el segundo trimestre de 2016, tendrá una potencia nominal de 100 W, 2,90 metros de altura y un peso inferior de 10 kg. Este equipo se ha diseñado con diferentes usos. El primero es para la obtención de energía en zonas no conectadas a la red y de forma combinada con paneles solares. Este dispositivo es una solución económicamente muy interesante para viviendas donde ya existen instalaciones solares, donde la incorporación de un dispositivo eólico de bajo coste es de gran ayuda para producir energía complementaria a la solar. Además puede utilizarse en zonas rurales donde el acceso a energía es un problema de necesidad vital. Otro uso es la instalación en los tejados de las casas y edificios en zonas urbanas. También para el suministro de energía a sistemas de grabación, antenas móviles, etc… Este producto, llamado Vortex ‘Atlantis’, funcionará inicialmente en programas piloto.

El tercer producto se espera para el tercer trimestre de 2016. El Vortex Mini, un dispositivo de potencia nominal 4 kW, aproximadamente 13 metros de altura y un peso inferior a 100 kg. Está diseñado para instalaciones conectadas o no conectadas a la red, con la misma idea de funcionar de forma autónoma o en sistemas híbridos, junto a paneles solares, aprovechando el equipamiento para la electrónica de potencia y, si existiese, el sistema de almacenamiento de la instalación solar fotovoltaica.

La meta final es que, en 4 años, pueda desarrollarse un dispositivo Vortex de 1 MW de potencia nominal con una altura de 170 m.