La energía eólica se ha convertido en los últimos 30 años en uno de los componentes más potentes de la generación de electricidad en Estados Unidos. Según la U.S. Energy Information Administration, los costes de producción de la energía eólica siguen bajando, mientras que los incentivos para producirla -a partir del crédito fiscal a la producción (PTC) del gobierno y otros programas- han mejorado significativamente su competitividad en comparación con los combustibles fósiles.
La generación global de electricidad a partir de la energía eólica en Estados Unidos alcanzó los 338.000 millones de kWh en 2020 y fue la fuente de aproximadamente el 8,4% de la generación total de electricidad a escala de servicios públicos de Estados Unidos. Y con las inversiones prometidas en energía eólica en el plan de infraestructuras de la actual administración estadounidense, sólo se espera que el porcentaje aumente en los próximos años.
El aumento de la producción eólica, sin embargo, lleva a la siguiente pregunta: ¿Qué tipo de lubricantes industriales para engranajes cerrados y abiertos son necesarios para mantener estas máquinas en buen estado de funcionamiento para que puedan producir las necesidades de electricidad cada vez mayores del país? A medida que aumenta la sofisticación de las turbinas eólicas, también debe hacerlo la de los lubricantes para engranajes.
Las nuevas tecnologías de fluidos pueden mejorar los coeficientes de tracción, el grosor de las películas, la eficiencia energética y la reducción en la temperatura. La introducción de nuevos y versátiles polímeros de rendimiento (performance polymers, PP, por sus siglas en inglés) puede mejorar significativamente el comportamiento de uso final de estos lubricantes. En este artículo se examinará el papel de los PP en la tecnología de lubricantes actual y las mejoras significativas que aportan a los sistemas tanto industriales como de engranajes abiertos.
Aceites para engranajes industriales
Las cajas de engranajes cerradas son componentes clave en las barquillas o gondolas de muchas turbinas eólicas. Para que estos sistemas funcionen con la máxima eficiencia, los engranajes deben ser lubricados adecuadamente con un aceite para engranajes industriales (industrial gear oil, IGO) de grado de viscosidad apropiado, formulado con las credenciales de rendimiento adecuadas.
Recientemente, se ha impulsado el desarrollo de cajas de engranajes avanzadas diseñadas específicamente para satisfacer la demanda de un mayor rendimiento de potencia. Las cajas de engranajes de los aerogeneradores se ven muy afectadas por las duras condiciones de funcionamiento de los parques eólicos, como la variación de la carga, las vibraciones, la temperatura y la fluctuación de la velocidad y la dirección del viento.
Como resultado, en los rodamientos y cajas de engranajes de los aerogeneradores aparecen microfisuras y grietas que pueden ampliarse y dar lugar a picaduras, rotura de dientes y otros fallos catastróficos con el paso del tiempo. Los aceites para engranajes industriales desempeñan un papel fundamental en el mantenimiento de la durabilidad de las cajas de engranajes y en la prevención de paradas imprevistas.
Además, las temperaturas de funcionamiento más elevadas pueden afectar negativamente a la vida útil del aceite porque los paquetes de aditivos se agotan con mayor rapidez. El agotamiento de los paquetes de aditivos puede causar problemas de durabilidad, como el desgaste y el micropitting.
La viscosidad del fluido cambia con la temperatura, lo que hace que el grosor de la película sea insuficiente y afecta a las propiedades tribológicas. Como resultado, las piezas fallan de forma inoportuna. Reducir la temperatura de funcionamiento, aunque sea unos pocos grados, puede ayudar a mantener la vida útil del aceite durante más tiempo y garantizar la durabilidad de las cajas de engranajes.
Se espera que los aceites para engranajes de aerogeneradores tengan largos intervalos de drenaje. Hoy en día, un intervalo de drenaje de aceite de siete años se ha convertido en la norma. Por lo tanto, los IGO deben estar formulados para proteger las superficies de los engranajes y ofrecer un rendimiento óptimo durante más tiempo. Tienen la obligación de:
- Mejorar la productividad y el rendimiento energético
- Proteger los rodamientos
- Impedir el micropitting y las grietas blancas
- Reducir las temperaturas de funcionamiento
- Mantener la viscosidad del aceite y el espesor de la película.
Los aceites sintéticos para engranajes industriales formulados con polialfaolefina (polyalphaolefin, PAO) se utilizan en las cajas de engranajes de los aerogeneradores para mantener el rendimiento del aceite durante más tiempo y mantener una temperatura de funcionamiento baja en comparación con el aceite para engranajes industriales convencional a base de aceite mineral.
Sistemas de engranajes abiertos
Los engranajes abiertos en las aplicaciones de las turbinas eólicas se utilizan para ajustar el paso de las palas y hacer girar la barquilla para una óptima captación del viento. Su tamaño puede oscilar entre 1 m de diámetro para los mecanismos de cabeceo y más de 6 m para los cojinetes de guiñada bajo la barquilla. Su fabricación lleva meses y cuesta más de 100.000 dólares, por lo que mantenerlos en buen estado de funcionamiento es primordial.
La mayoría de los sistemas industriales de engranajes abiertos suelen estar diseñados para funcionar en una sola dirección con una velocidad periférica de baja a moderada. En las aplicaciones de paso de las palas, el conjunto de engranajes se mueve de forma cuasi-estática a través de un arco de unos 90°, pero en los mecanismos de guiñada pueden completar arcos o revoluciones enteras en función de la variabilidad de la dirección del viento (aunque la mayor parte del tiempo están inmóviles).
Lo ideal es que funcionen a temperaturas entre -20˚C y 50˚C. Cuando se utilizan en aplicaciones en alta mar, los lubricantes para engranajes abiertos (open gear lubricants, OGL) también tienen que ser capaces de evitar la corrosión por agua salada/niebla salina de las superficies de los dientes de los engranajes.
Debido a su coste y a la dificultad de sustituirlos fácilmente, es importante mantenerlos con los OGLs adecuados. El mercado mundial de lubricantes para engranajes abiertos es de aproximadamente 12.000 toneladas métricas. Los OGL deben diseñarse para aplicaciones de lubricación límite y mixta, ya que el engranaje comienza a moverse y a adquirir velocidad.
A lo largo de los últimos 50 años, los OGL han evolucionado considerablemente. Históricamente, las OGL se fabricaban con bases asfálticas sin tratamientos significativos de aditivos, y no había ninguna diferenciación para las OGL basada en el uso final. Con el tiempo, las OGL se han vuelto más complejas, ya que los científicos empezaron a reconocer que las diferentes aplicaciones de los engranajes abiertos requerían diferentes tipos de lubricantes.
En la década de 1970, los científicos empezaron a diferenciar los tipos de OGL en función del uso final y se dieron cuenta de que, mientras algunos sistemas de engranajes abiertos requerían compuestos, otros sistemas necesitaban grasa. A medida que los fabricantes de lubricantes siguieron investigando el modo de uso de los OGL, empezaron a cambiar aún más su comprensión.
Hoy en día, la mayoría de las OGL se dividen en dos clases diferentes: máquinas móviles y equipos fijos. Las máquinas móviles utilizan grasas semifluidas, que incluyen aceites de baja viscosidad y lubricantes sólidos. Requieren un bombeo a baja temperatura y deben ser capaces de soportar cargas suspendidas.
Los equipos fijos, por el contrario, deben producir una lubricación de película completa, proporcionar protección contra el desgaste y soportar cargas, y permitir una fácil inspección y eliminación de los dientes. Sin embargo, en las aplicaciones de los aerogeneradores, se utilizan los mismos OGL para las aplicaciones de cabeceo y guiñada. Los lubricantes oscuros originales se sustituyeron por líquidos viscosos transparentes para facilitar la inspección de los dientes de los engranajes.
Polímeros de alto rendimiento
Para subsanar las deficiencias de los IGOs y OGLs sintéticos convencionales formulados con PAOs, se pueden añadir PPs revolucionarios a las formulaciones. En ambos casos, los PP nuevos y mejorados ofrecen ventajas específicas sobre las formulaciones sintéticas tradicionales.
Estos PP tienen arquitecturas únicas y son versátiles, con una eficiencia de espesamiento superior y una excelente estabilidad al cizallamiento. Reducen los coeficientes de tracción y disipan el calor de manera más rápida, mejoran la eficiencia energética y presentan estabilidad térmica y oxidativa. Gracias a estas propiedades, los PP permiten aplicaciones versátiles, como los aceites sintéticos para engranajes industriales y los lubricantes para engranajes abiertos de las turbinas eólicas.
En comparación con las formulaciones sintéticas tradicionales que utilizan PAOs, los últimos PPs ayudan a formular una receta sintética de IGO de forma más rentable y pueden ofrecer una reducción del 30% al 40% en el coste neto de tratamiento en comparación con las formulaciones sintéticas convencionales. Pueden reducir las temperaturas de funcionamiento en comparación con los IGO sintéticos tradicionales y, por tanto, pueden reducir el consumo de energía y mantener las propiedades de los IGO durante más tiempo.
En los OGL, los PP proporcionan versatilidad, ya sea como modificador de la viscosidad o como fluido base. También aportan características de rendimiento mejoradas a los OGL y sostenibilidad del producto, además de reducir el consumo de lubricante y el uso de energía.
En las formulaciones totalmente sintéticas que utilizan PPs para los OGLs, hay un alto índice de viscosidad y una alta viscosidad cinemática a altas temperaturas de funcionamiento. Producen excelentes espesores de película, reducen significativamente las temperaturas en todo el proceso y aumentan la eficiencia energética. Por último, mantienen una buena capacidad de bombeo a baja temperatura: no es necesario un sistema de calentamiento.
Esta innovadora tecnología de PP mejora los coeficientes de tracción, los espesores de película y la eficiencia energética, al tiempo que reduce las temperaturas de funcionamiento. Esto demuestra la diferencia entre las tecnologías de fluidos mejoradas y las formulaciones tradicionales de IGO y OGL.
A medida que Estados Unidos aumenta su capacidad de energía eólica, será importante que los fabricantes y desarrolladores conozcan la forma más económica y eficaz de proteger sus sistemas de engranajes industriales y abiertos. Con el aumento del uso de lubricantes sintéticos que contienen polímeros de alto rendimiento, esta protección será mucho más fácil.
Noticia tomada de: Wind Power Engineering / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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