Los investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (National Renewable Energy Laboratory, NREL, por sus siglas en inglés) llevan varios años explorando el uso de materiales compuestos termoplásticos para las turbinas eólicas, pero apenas han empezado a descubrir cómo se comportan estos materiales bajo el agua.
Por primera vez en la historia, las palas de materiales compuestos termoplásticos, que tienen el potencial de revolucionar la industria de la energía marina, se están probando en una turbina de energía mareomotriz a gran escala.
Investigaciones previas a escala de laboratorio realizadas en el Instituto Francés de Investigación para la Explotación del Mar (Institut Français de Recherche pour l’Exploitation de la Mer, IFREMER, por sus siglas en francés) demostraron que los materiales termoplásticos pueden mejorar el rendimiento a la fatiga, disminuyendo la probabilidad de fallos catastróficos de las palas y haciendo que las palas de las turbinas mareomotrices sean más sostenibles para las aplicaciones de energía marina.
El proceso de fabricación también es más rápido y eficiente desde el punto de vista energético. Además, los termoplásticos, que representan alrededor del 75% de la producción mundial de plásticos, pueden reciclarse porque el material polimérico plástico puede volver a moldearse a altas temperaturas y se resolidifica al enfriarse.
Gracias a la financiación de la Oficina de Tecnologías de la Energía Acuática del Departamento de Energía de EE.UU. y a la colaboración con Verdant Power, los investigadores del NREL han construido palas de turbina con materiales compuestos termoplásticos y las están probando en una de las turbinas mareomotrices de Verdant Power, actualmente instalada en el East River de Nueva York.
La evaluación de las cargas y el rendimiento de las turbinas en el emplazamiento del proyecto Roosevelt Island Tidal Energy (RITE) en Nueva York comenzó en octubre de 2020 con la instalación del soporte TriFrame de Verdant Power, que sostiene tres turbinas mareomotrices. Debido a las fuertes corrientes de marea que cambian de dirección varias veces al día, el East River es un lugar ideal para probar y validar el rendimiento de las turbinas de energía marina. Tanto el TriFrame como las turbinas de tres palas se diseñaron para ser modulares y escalables, lo que permite a los investigadores estudiar las turbinas de 5 metros (m) de diámetro y luego escalarlas hasta los sistemas de turbinas de 10 a 15 m, más viables económicamente, que es más probable que se utilicen sobre el terreno.
Durante sus primeros seis meses en el agua, las turbinas mareomotrices, que inicialmente tenían palas de epoxi, generaron casi 200 megavatios-hora de energía, un récord en Estados Unidos para la producción de energía marina. Tras un despliegue de 6 meses, en mayo de 2021, el equipo de Verdant Power llevó a cabo una operación de recuperación y sustitución (R&R), cambiando uno de los rotores con palas de epoxi por un nuevo rotor fabricado por el NREL con palas termoplásticas que son idénticas a las palas originales de epoxi, excepto por su material.
Durante varios meses antes del despliegue del R&R, la ingeniera de investigación del NREL Robynne Murray y su equipo han aprovechado las capacidades de fabricación y caracterización de materiales de las instalaciones de Educación y Tecnología de Fabricación de Materiales Compuestos (CoMET) del NREL. Allí construyeron las palas de 2,5 m utilizando un método de infusión al vacío con resina termoplástica Elium. A continuación, trabajaron para confirmar que estas palas tenían un rendimiento estructural similar al de las palas tradicionales de resina epoxi antes de su despliegue, validando estructuralmente las palas termoplásticas de la turbina mareomotriz a escala real que ahora están generando energía en el East River. Una vez que termine el ensayo y se recuperen las palas a finales de 2021, el equipo medirá la respuesta estructural de las palas a las cargas aplicadas para cuantificar el impacto del agua de mar en estos materiales.
«Verdant Power proporcionó al equipo del NREL el utillaje y los detalles geométricos de las palas para que pudiéramos producir palas termoplásticas idénticas a las palas de epoxi que ya han fabricado, lo que nos permite hacer una comparación con los materiales tradicionales», dijo Murray. «Nos interesa mucho utilizar estos materiales termoplásticos porque podrían prolongar la vida útil de las palas y tener mejores propiedades estructurales para las aplicaciones marinas».
Un sistema de adquisición de datos construido por el NREL se encuentra dentro del cono de cola de la turbina mareomotriz recién instalada, lo que permite a los investigadores medir la tensión y la posición angular de las palas termoplásticas mientras están en acción en el East River. El proceso de diseño y validación del sistema de adquisición de datos, que incluyó la inmersión del sistema en el agua durante varios días, cumple varios requisitos, entre ellos la capacidad de adquirir, medir y almacenar de forma continua y fiable todos los datos generados durante todo el periodo de despliegue de la turbina, que se calcula que son hasta 28 gigabytes.
«Este trabajo demostrará un material que puede cambiar las reglas del juego para las aplicaciones marinas a una escala significativa», dijo Murray.
También producirá datos de deformación y aceleración para turbinas a escala real que podremos utilizar para validar las herramientas de diseño y desproteger futuros despliegues, en todo el sector». La colaboración con Verdant Power y la capacidad de unirse a su innovadora operación de R&R ha sido clave para obtener estos datos que beneficiarán a la industria de la energía marina en los próximos años.»
Desde el R&R de mayo de 2021, la turbina mareomotriz del NREL ha estado produciendo energía para la red eléctrica de la ciudad de Nueva York e incluso ha experimentado algunas de las cargas más altas que las palas verán durante el despliegue. Esos datos serán especialmente útiles para examinar el comportamiento de estas turbinas durante las condiciones más extremas, añadiendo información clave a la creciente comprensión de los límites operativos de las turbinas y de los materiales termoplásticos saturados y su promesa de resolver los retos de la energía marina del futuro.
Este verano, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico realizará un estudio de las velocidades de flujo del TriFrame en el emplazamiento del Proyecto RITE para obtener datos de flujo de las turbinas mareomotrices operativas. Estos datos se utilizarán para validar los modelos de velocidad de flujo, que serán de acceso público para la industria de la energía marina.
Hasta que finalice su despliegue, el equipo del NREL observa y espera mientras sus palas termoplásticas ayudan a generar energía mareomotriz a escala por primera vez.
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