Turbina FTMC: ¿Una turbina de corrientes marinas para la corriente del Golfo en el Estrecho de Florida o las corrientes de marea del Reino Unido?

Seaplace y Magnomatics participan en un proyecto pionero de turbinas marinas para aprovechar la potencia de las corrientes marinas como fuente de energía alternativa. La propia turbina ha sido diseñada por Seaplace, mientras que Magnomatics es el responsable del diseño del generador de la turbina. El proyecto ha recibido financiación del programa Eurostars-2, y ha sido cofinanciado por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea.

Con el proyecto “Turbina FTMC”, Seaplace y Magnomatics están desarrollando una turbina marina diseñada específicamente para aprovechar la energía de las mareas y de las corrientes oceánicas en aquellas regiones que, a pesar de tener flujos de agua relativamente rápidos a grandes profundidades y a gran distancia del lecho marino, no pueden asegurar una explotación económica con turbinas fijas.

Seaplace combina un amarre tipo TLP (Tension Leg Platform) y un flotador robusto dispuesto como tobera para conseguir que el concepto sea viable. El generador magnético PDD (Pseudo Direct Drive) de Magnomatics asegura una solución robusta y de alta eficiencia que puede operar en condiciones de inmersión intrínsecamente duras. El diseño ha sido validado mediante pruebas con un modelo en el canal de ensayos de aguas tranquilas del CEHIPAR (INTA). Este proyecto está cofinanciado por el Programa Eurostars.

Una fuente de energía de alta potencia

El uso de la energía cinética de las corrientes oceánicas como medio para generar energía es una tecnología relativamente joven en comparación con los avances en otros campos de la generación de energía alternativa. Sin embargo, ofrece un gran potencial ya que las corrientes son más predecibles que la energía eólica o solar.

El transporte de masa de la corriente del Golfo supone más de 30 veces el flujo total de los ríos de agua dulce de todo el mundo. Esta enorme corriente alcanza en algunos puntos, frente a la costa este de Florida, una densidad de potencia anual de unos 2,0 kW/m^2 (lo que corresponde a una velocidad media de corriente de unos 3 nudos). En estos lugares, la velocidad de la corriente se sitúa el 85% del tiempo entre 1 y 2 m/s en profundidades de hasta 100 m. De esta manera, la colocación de un dispositivo en torno a 40 u 80 m de profundidad debería ser óptima, ya que, por ejemplo, para menos de 40 m podría interferir con la navegación. Dado que en estas regiones el lecho marino se encuentra a unos 200 – 500 m de profundidad, una solución fondeada parece ser la mejor.

A su vez, existen varios lugares para la conversión de la energía mareomotriz con densidades medias anuales de potencia superiores a 2,0 kW/m^2. Muchos de estos lugares se encuentran en el Reino Unido. Aunque se pueden utilizar unidades fijas en la mayoría de estos lugares, una solución fondeada puede ser interesante si la ubicación es lo suficientemente profunda. En el primero de los casos, el de las turbinas fijas, el OPEX podría aumentar drásticamente debido a los elevados costes de movilización y flete de los buques grúa o las unidades de elevación necesarias para las actividades de mantenimiento. Incluso un pequeño problema dentro de la góndola requeriría la emersión de la unidad. Una solución fondeada, si controla su CAPEX, puede ayudar a reducir el OPEX.

Turbinas fondeadas

Las turbinas fondeadas requieren flotabilidad, lo que aumenta el coste de la estructura, pero permite situar el dispositivo a la profundidad óptima sin un impacto significativo, facilitando la fabricación de una serie de turbinas. Para controlar la emersión/inmersión de la turbina en las condiciones de instalación y mantenimiento, se utiliza un sistema de lastre formado por varios tanques. Si en lugar de tanques el diseño empleara flotadores pasivos, el proceso de instalación podría resultar más difícil.

Los diseños fondeados varían entre sí. En muchos de ellos, la estabilidad se consigue utilizando un concepto similar al de una “cometa”. Sin embargo, al utilizar esta disposición, un cambio de empuje podría provocar un desplazamiento e de la turbina. A su vez, un desplazamiento vertical significativo podría modificar la presión sobre los tanques estancos, obligándolos probablemente a requerir un control activo, que supondría una fuente potencial de fallos.

Por otro lado, una excursión significativa (desplazamiento axial y lateral) requeriría más espacio entre turbinas, hecho que limitaría el tamaño de la explotación en un determinado campo. Si sólo se requiere una única línea de amarre a proa, es necesario dejar un gran espacio entre turbinas adyacentes. Otros diseños fondeados utilizan líneas de proa y popa, lo que implica una mayor huella en el fondo marino y no permite que el dispositivo gire 180º respecto a su eje vertical si la corriente cambia de dirección.

Teniendo en cuenta todos los puntos mencionados anteriormente, elegimos para el fondeo una disposición de tendones tensados. Al utilizar tendones verticales, nuestro amarre tipo TLP reduce los desplazamientos verticales, minimizando la variación de presión en los tanques de aire. Este tipo de fondeo tensado también permite un mejor aprovechamiento del campo de trabajo ya que la huella creada es mucho menor. Además, puede disponerse de cierto modo que permita que la turbina gire pasivamente en la dirección de la corriente, aumentando de manera sencilla el factor de capacidad. Todo lo anterior es posible siempre y cuando el centro de gravedad, el centro de flotabilidad y el centro hidrodinámico estén debidamente ubicados.

Turbina FTMC

En la turbina FTMC, es una tobera la que aporta la flotabilidad requerida. En su lugar, se podría haber utilizado un cilindro junto a la góndola o nacelle, o incluso una boya separada. Sin embargo, una tobera no sólo no obstruye el flujo, sino que lo acelera. También permite reducir el tamaño de las palas y las protege de daños durante las diferentes operaciones. Esta tobera además asegura que, en caso de emersión del dispositivo, como puede ser en un caso de fallo, las aberturas de la góndola estén siempre en la misma posición permitiendo realizar el mantenimiento en el mar.

Además, la tobera reduce el riesgo de que los cables, cabos o líneas de amarre queden atrapados alrededor de las palas. El dispositivo se instala controlando el agua de lastre y la presión del aire de la tobera, y fijando la línea de fondeo a un bloque de hormigón en el lecho marino. Si se requiere realizar labores de mantenimiento, esta operación puede deshacerse, ayudando a reducir el OPEX. Seaplace ha realizado un gran esfuerzo en la optimización de la tobera y la turbina, y ha confirmado con pruebas experimentales el buen comportamiento del concepto: se ha construido y probado un prototipo en el CEHIPAR (INTA) en 2018. El demostrador a pequeña escala está diseñado para un par de 600 Nm y 5 kW de potencia generada, con velocidades de rotación de hasta 120 rpm.

Durante los ensayos, la potencia generada se ha medido a diferentes rpm y velocidades de corriente con el dispositivo fijado dentro de una estructura o marco auxiliar. Los resultados concuerdan con los cálculos más optimistas realizados mediante simulaciones en ordenador o CFDs. La estabilidad también ha sido confirmada. También se han probado varias configuraciones de líneas de amarre y elementos estabilizadores para asegurar no sólo que la unidad sea auto orientable, sino que también minimice los movimientos inducidos por vórtices. La unidad pivota hidrodinámicamente alrededor de un eslabón giratorio en el lecho marino para que siempre se oriente a la corriente, maximizando la cantidad de energía que extrae. Además, se han realizado algunas otras pruebas como: operaciones de lastrado y deslastrado, condiciones de pull-out del generador (incluido el control de las vibraciones), par de arranque automático en condiciones de aceleración de corriente o a velocidad constante, comprobaciones de estanqueidad, etc.

El modelo a escala real se encuentra a día de hoy en la última fase de diseño. Actualmente se están transfiriendo al mismo varias lecciones aprendidas del prototipo. El dispositivo a escala real tiene unos 30 m de ancho en su diámetro exterior y cuenta con una capacidad de generación de 750 kW. Del mismo modo que el modelo, está diseñada para adaptarse a los cambios de dirección de la corriente, hecho que implica que no haya necesidad de disponer de un sistema de control de guiñada. Además, para hacer la unidad más robusta, reducir el desgaste y minimizar los costes de mantenimiento, componentes como el control de paso de las palas o engranajes mecánicos se eliminan.

La turbina es robusta y fácil de mantener, presentando una solución rentable para regiones con una profundidad del mar de más de 60 metros, o profundidades variables del lecho marino.

Generador PDD

La solución planteada por Seaplace, utiliza el generador magnético PDD (Pseudo Direct Drive) de Magnomatics. Este generador consigue un cambio gradual en la densidad de par en comparación con el de las máquinas de imanes permanentes refrigeradas equivalentes.

El dramático aumento en la densidad de par, permite que el generador soporte altas cargas a baja velocidad, como las que se dan en la Turbina FTMC. Al no tener una caja de engranajes convencional, el PDD es fiable y de bajo mantenimiento. También cuenta con una capacidad de desconexión de par incorporada, de modo que, si la turbina se bloquea por cualquier razón, el engranaje magnético se soltará y, una vez solucionada la sobrecarga, pueda encajar de nuevo sin causar ningún daño a los componentes.

Beneficios para la sociedad y el entorno

Los convertidores de energía mareomotriz son a menudo bien aceptados por la sociedad al ser una fuente de energía limpia. Sin embargo, las corrientes de marea son con frecuencia buenas en estrechos no demasiado anchos, donde el tráfico marítimo es denso. La Turbina FTMC aspira a una mayor aceptación porque puede estar totalmente sumergida y ser así compatible con la navegación y determinadas actividades pesqueras.

Desde el punto de vista medioambiental, la tobera evita que las puntas de las palas dañen la fauna, y la huella es bastante pequeña porque sólo requiere un bloque a modo de muerto en el lecho marino, afectando muy poco a la fauna y flora del fondo. También es posible desinstalar el dispositivo después de haber cumplido su vida útil.

En lo que al negocio respecta, la colocación de un dispositivo bajo el agua es intrínsecamente más costosa, en términos de CAPEX/MW, que la energía eólica marina. Sin embargo, se logran valores competitivos de LCOE (Levelized Cost Of Energy), gracias a la combinación de la alta potencia disponible en las ubicaciones previstas con elevados factores de capacidad.