Revolucionando la energía hidroeléctrica: Palas de turbina compuestas para mayor eficiencia

El término "energía hidroeléctrica" a menudo evoca operaciones inmensas impulsadas por infraestructura construida a medida, como sistemas de presas y grandes turbinas con palas basadas en hélices metálicas tradicionales. Sin embargo, muchas áreas se están quedando sin nueva capacidad para grandes plantas hidroeléctricas de alta potencia. Al mismo tiempo, la demanda de generación de energía renovable más abundante y de menor coste sigue creciendo.

Visión del DOE y oportunidad de mercado

El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), en su informe "Hydropower Vision" de 2018 que describe el estado actual de la energía hidroeléctrica en Estados Unidos y sus objetivos futuros, predijo que el crecimiento del mercado hidroeléctrico estadounidense —de 101 gigavatios (GW) de capacidad energética en 2018 a una capacidad potencial de casi 150 GW en 2050— requeriría nuevas tecnologías avanzadas que puedan proporcionar más energía a menores costes.

Una posible solución podrían ser generadores hidroeléctricos más pequeños que capturen energía no aprovechada de sistemas de bajo caudal como canales de riego y arroyos, según Darren Wren, director general de Kinetic NRG (Gold Coast, Australia). Fundada en 2016 por el fallecido fundador Paul Camilleri, Kinetic NRG es una empresa de energía renovable de financiación privada centrada en el desarrollo de nueva tecnología de generación hidroeléctrica para suministrar electricidad fiable y de bajo coste.

Sistema Hydro-kinetic Energy Generator (HEG)

La primera tecnología de la empresa se llama sistema Hydro-kinetic Energy Generator (HEG), que mide 1,5 metros de diámetro con una potencia de hasta 30 kilovatios (kW) a partir de flujos de agua de 2,0 metros por segundo. Esta potencia la convierte en un sistema de "micro" hidroeléctrica según organismos de clasificación como el DOE de EE. UU., que define los sistemas micro como aquellos con hasta 100 kW de capacidad. Diseñada para uso directo en ríos, canales de riego o canales de desagüe que canalizan agua de presas existentes, la HEG está diseñada para hidroeléctrica de baja caída —lo que significa que la "caída", o distancia entre la línea de agua y la turbina, es inferior a 20 metros.

Diseño de una pala modular y fabricable

Los primeros modelos de pala espiral a pequeña escala de Kinetic NRG se formaron con metal, pero cuando llegó el momento de fabricar el prototipo a escala completa de 1,5 metros de diámetro, "realmente descubrimos que no podíamos fabricarlo", dice Wren. El concepto era comenzar con una pieza plana de metal y luego formar o forjar un conjunto de espirales que irradiaran desde el centro. "Simplemente no podíamos encontrar la forma de acceder a ciertos puntos de la pieza para crear la resistencia que necesitábamos", explica.

La empresa finalmente abandonó sus esfuerzos metálicos, pero no el diseño en sí. Wren dice que Kinetic NRG se asoció con una universidad local para explorar técnicas y materiales de fabricación alternativos como nailon o cerámica, y comenzó a hablar con empresas de impresión 3D para ver si la fabricación aditiva podía ser una opción viable. Aun así, no se presentó ninguna solución que proporcionara la combinación adecuada de fabricabilidad y propiedades mecánicas. Finalmente, después de un viaje de tres años, Kinetic NRG fue presentada a través de una conexión de red de suministro al equipo de la empresa de ingeniería Advanced Composite Structures Australia (ACS-A, Melbourne), especializada en diseño y fabricación de componentes compuestos de bajo volumen y alto valor añadido para una variedad de mercados finales.

Wren califica lo que sucedió a continuación como "un encuentro de mentes", explicando que Kinetic NRG trabajó con Paul Falzon, director general de ACS-A, y su equipo en varios métodos para fabricar y diseñar la pieza usando materiales compuestos —materiales que ACS-A sabía por experiencia que podían cumplir los requisitos de forma, peso y rigidez que necesitaba Kinetic NRG.

La forma innovadora de la pala fue el principal reto de diseño del proyecto, con requisitos mecánicos basados, según Wren, en estándares establecidos por el DOE de EE. UU. y la Comisión Electrotécnica Internacional. El resto de los componentes del sistema —transmisión, gestión de energía, comunicaciones, etc.— son productos estándar disponibles en el mercado que se sabe que cumplen todas las regulaciones necesarias.

De metal a compuesto: ingeniería inversa y optimización

Según Falzon, ACS-A evaluó primero los intentos metálicos del diseño de la pala, y luego determinó cómo lograr la forma requerida, tolerancias dimensionales y peso de la pala. La pala también debía resistir entornos acuáticos y ser lo suficientemente rígida para soportar el eje de acero de la turbina al que está unida. El equipo de ACS-A comenzó con el diseño metálico original e "hizo ingeniería inversa" de una pala compuesta de fibra de vidrio para igualar la rigidez original, dice Falzon. Sin embargo, fue necesario hacer algunos cambios de diseño al pasar de una estructura metálica conformada y soldada a un laminado compuesto. Como explica Falzon: "Dimos un paso atrás y preguntamos: 'Bien, si vamos a aprovechar al máximo los materiales compuestos, ¿qué aspecto tiene esto?'".

Después de varias iteraciones y discusiones, el diseño actual que tomó forma comprende cuatro palas compuestas idénticas que se encajan para formar la forma espiral final. "La pala compuesta es en realidad más gruesa que el diseño de acero, pero más ligera debido a la menor densidad de los materiales con los que trabajamos", dice Falzon. "Al ser más gruesa también obtenemos mucha más rigidez a la flexión en comparación con el diseño de acero, así que en realidad se obtiene un producto mucho más rígido en general".

Utillaje invertido

Desarrollar la forma para el utillaje, dice Falzon, fue la parte más desafiante del proceso. El equipo de ACS-A evaluó la forma del conjunto original de la pala usando software CATIA de Dassault Systèmes (Waltham, Mass., EE. UU.). Esto llevó al desarrollo de las superficies de la pala y el diseño de conceptos de utillaje. "Cuando miras las piezas como son hoy, en realidad se fabrican en una orientación boca abajo. El modelo de la pala tuvo que invertirse para crear el utillaje, y es extraño hasta que ves el utillaje real cuando llega. Es bastante complejo", dice Falzon. Explica que el utillaje tuvo que invertirse "para asegurar que pudiéramos lograr el acabado superficial requerido en el lado de la pala expuesto al flujo de agua", y para asegurar que cada uno de los componentes de la pala fabricados pudiera desmoldarse en una sola pieza. El utillaje también tenía que ser preciso: los componentes de la pala que se encajan debían poder alinearse exactamente cuando se ensamblan, entre sí y con el eje central de la turbina. Para el prototipo, el utillaje, suministrado por Sykes Australia (Sídney), se fabricó con pasta de utillaje de bajo coste depositada sobre un soporte de espuma y luego mecanizada por CNC hasta la forma final.

Una vez desarrollado el utillaje, el prototipo de pala a escala completa actual se construyó con tejido de fibra de vidrio sin ondulación (NCF) y resina epoxi, fabricado mediante colocación manual y curado a temperatura ambiente, seguido de post-curado en horno a temperatura elevada y aplicación de pintura marina. Los materiales fueron seleccionados, señala Falzon, para cumplir tanto los requisitos estructurales como de coste de la pieza. Los subcomponentes que se encajan se unen adhesivamente —elegido sobre el fijado mecánico para un mejor control y precisión dimensional en el ensamblaje. "El verdadero truco", dice, "es asegurar que las palas puedan encajarse, pero una vez que laminamos todo y lo unimos, forma un ensamblaje muy rígido que logra el rendimiento estructural e hidrodinámico necesario".

El análisis digital de la rigidez de la estructura y otras propiedades mecánicas se realizó usando herramientas de MSC Software (Newport Beach, Calif., EE. UU.). "Este sistema es mucho más eficiente, ligero y capaz de hacer más trabajo que el diseño original", añade Falzon.

Hacia la producción comercial

Según Wren, el objetivo inicial de producción de Kinetic NRG será de 950 unidades en un período de tres años, y luego escalar a varios miles por año. Los clientes potenciales, dice Wren, pueden incluir particulares y empresas, compañías eléctricas y municipios —una amplia gama, subrayando la versatilidad del concepto HEG. Los sistemas pueden instalarse como "minicentrales hidroeléctricas" dentro de canales de riego, o colocarse aguas abajo de generadores hidroeléctricos existentes para generar energía a partir de desagües subutilizados, o como energía suplementaria para comunidades o empresas remotas, dice.

Actualmente, el prototipo HEG a escala completa está sometido a pruebas mecánicas en agua; mientras tanto, se están evaluando procesos de fabricación a gran escala para la producción comercial.

ACS-A espera seguir afinando el diseño de la pala, según sea necesario, dependiendo de los resultados de las pruebas mecánicas y los requisitos para la fabricación más rentable posible. Específicamente, Falzon dice que ACS-A está explorando procesos de preformado automatizados "para poder conseguir la forma correcta con el mínimo trabajo manual", seguidos de moldeo por transferencia de resina ligero (L-RTM) u otro proceso de mayor velocidad.

Los métodos de ensamblaje de la turbina también están en evaluación, el objetivo siendo, dice Wren, que los subcomponentes de la pala se produzcan modularmente y se ensamblen localmente, para evitar los costes y desafíos del envío de unidades completas a escala real mientras se crean oportunidades de empleo local y se reducen los costes de instalación. Para hacer esto posible, ACS-A puede necesitar modificar la forma en que las palas se encajan y el número de subcomponentes en cada ensamblaje. "Seguiremos teniendo las palas completas en su forma original, eso seguirá siendo una parte clave", dice Wren, "pero podemos cambiar dónde ocurren las transiciones para poder fabricar la misma forma en menos componentes para un ensamblaje in situ más fácil".

Las dos empresas también están evaluando la conversión de componentes metálicos de la turbina en compuestos, para reducir el peso del conjunto total. "Usaremos fibra de vidrio donde sea apropiado y fibra de carbono donde sea apropiado, pero en última instancia, necesitamos alcanzar un punto de precio para la tecnología que haga que el coste de generación de energía del sistema sea competitivo en coste", dice Falzon.

A medida que el diseño y el proceso de fabricación se acercan a la optimización, el próximo reto será, según Wren, asegurar la inversión adecuada y asociaciones de fabricación para escalar a volúmenes comerciales.