WindformerTM Energía eólica a gran escala Mikael Dahlgren, Harry Frank, Mats Leijon, Fredrik Owman, Lars Walfridsson Impulsado por las nuevas tecnologías, el aprovechamiento de la energía eólica para producir energía eléctrica ha superado todas las previsiones, con aproximadamente 13,4 gigavatios de potencia instalada en la actualidad, lo cual equivale a más de 20 grandes centrales de combustibles fósiles. Actualmente, una nueva tecnología promete todavía más: un sistema integrado llamado Windformer, proyectado para generar energía eólica en alta mar y en zonas costeras, transmitiéndola después a la red eléctrica. Windformer aumenta la potencia de salida hasta un 20%, reduciendo a la mitad los costes de mantenimiento durante la vida útil del sistema. Utilizando tecnología de cable desarrollada originalmente para el generador de alto voltaje Powerformer de ABB, los ingenieros de la compañía han creado un generador eólico que no requiere ni caja de engranajes ni transformador y consigue que los parques eólicos sean más fiables y tengan menores pérdidas eléctricas. ABB Revista 3/2000 31
Transmission and Distribution 1 La velocidad media del viento en el mar se traduce en una mayor generación de energía y un menor impacto medioambiental local. La energía eólica es la fuente de energía con mayor crecimiento a nivel mundial, habiendo registrado un aumento anual del 40% durante los últimos cinco años. Las nuevas instalaciones de 1999, con una potencia próxima a los 4 gigavatios, supusieron un incremento del 51% con respecto al año anterior. A finales de 1999, la potencia total instalada alcanzó los 13.932 MW, con aproximadamente 30 TWh de energía eléctrica generada durante el año [1]. Se prevé una mayor demanda de electricidad en los países en vías de desarrollo, mientras que en los industrializados su crecimiento se estima únicamente en un 1,8% anual, lo que corresponde aproximadamente a 3.500 TWh durante el mismo período de tiempo. Se estima asimismo que la demanda de nueva capacidad de producción para responder a las necesidades de electricidad en todo el mundo será de aproximadamente 10.000 TWh en el año 2020 [2]. Si los aspectos ecológicos siguen teniendo una gran repercusión en la capacidad de producción de instalaciones recientes, es de esperar que la demanda de fuentes de energía renovables aumente más rápidamente que si el único factor a tener en cuenta fuera el económico. El Protocolo de Tokio, con su especial atención a los problemas derivados del CO2 y otros gases de efecto invernadero, muestra la gran preocupación mundial sobre el medio ambiente y subraya la importancia de las energías renovables. Aquellas zonas del mundo en las que los aspectos medioambientales influyen más en los mercados de la energía, como por ejemplo América del Norte, Europa Occidental, Japón, Australia y Nueva Zelanda [1], serán testigos de un crecimiento más rápido de las energías renovables. En 1999 se instalaron 3.922 MW adicionales de energía eólica y las tendencias apuntan a que este valor se duplicará en los próximos tres o cuatro años. La facturación del mercado mundial fue de 3.000 de millones de dólares USA en 1999, creciendo a un ritmo aproximado del 20% por año. La energía eólica posee un importante potencial de crecimiento. Gran parte de la capacidad de generación está localizada en el mar 1, donde las altas velocidades medias del viento se traducen en una mayor producción de energía. La situación en el mar también reduce el impacto sobre el medio ambiente local, dado que las turbinas están lo suficientemente alejadas para que no puedan ser vistas ni oídas. Diversos proyectos de desarrollo siguen en marcha con el objeto de producir unidades de mayor tamaño, de modo que hoy en día se puede considerar la energía eólica como una importante fuente de energía, con grandes parques eólicos que pueden suministrar cientos de megavatios. Esto se ve acompañado por la seguridad de que el sector de la energía eólica ha llegado a una fase en que los vendedores de equipos deben pensar en algo más que en suministrar pequeños generadores de turbinas eólicas (WTG) individuales, es decir, deben pasar a ofrecer soluciones completas que cubran la totalidad del sistema de energía eólica. Para tener éxito en el mercado, los suministradores deben comprender la cadena energética en su totalidad, demostrando que su experiencia y conocimientos abarcan desde la fuente de energía hasta las necesidades del usuario final. Windformer es un nuevo sistema de energía eólica desarrollado por ABB para parques eólicos situados en el mar o en zonas costeras. Los generadores WTG con Windformer tienen una alta potencia de salida, típicamente del orden de 3 a 5 MW, que conlleva varias ventajas. En primer lugar reduce la superficie necesaria, dado que se necesitan menos máquinas para que una estación genere una determinada potencia. Esto, por su parte, disminuye el impacto 32 ABB Revista 3/2000
2 Debido a la mayor potencia nominal de WindformerTM se requiere un menor número de generadores de turbinas eólicas (a la izquierda) que en un parque eólico comparable con generadores WTG convencionales (a la derecha). (Photomontage) visual 2 y las emisiones de ruido de los WTG. Basado en la tecnología Powerformer [3, 4, 5], el generador Windformer tiene un rotor de velocidad variable con imanes permanentes conectado directamente a la turbina. La tensión de baja frecuencia (superior a 20 kv) producida por el generador es convertida en corriente continua mediante diodos. Los WTG se conectan en grupos, transmitiéndose la energía eléctrica por medio de conductores hasta una subestación conectada a la red general 3. Una tecnología sencilla Windformer fue concebido como una tecnología sencilla, de modo que incorporara sistemas estables para el suministro de energía con alta fiabilidad y bajas pérdidas. Esta sencillez puede ser resumida de la forma siguiente: Energía Viento, disponible sin coste primaria alguno Rotor Hierro, imanes permanentes Estator Hierro, conductores Rectificador Diodos Transmisión Cables Invertidor Transistores Sistema eléctrico del Windformer A medida que avanza el desarrollo comercial de los parques eólicos crece la necesidad de que los suministradores de equipos se responsabilicen enteramente del sistema de energía eléctrica. Debe optimizarse la totalidad del mismo, y no solo sus componentes. Esto exige aplicar un enfoque general con soluciones que abarquen todos los aspectos del sistema, desde la conversión de la energía eólica en energía eléctrica hasta la transmisión de dicha energía eléctrica a la red de distribución. El sistema eléctrico de Windformer de ABB está basado en una solución total de parque eólico con los sistemas más adecuados para las condiciones existentes. Grupos para parques eólicos En la figura 4 se muestra un grupo Windformer con varios generadores WTG con capacidad para suministrar hasta 40 MW. El grupo se conecta a una red de distribución de alta tensión por medio de un invertidor situado en una estación de red. Los parques eólicos situados en el mar utilizan estaciones de red ubicadas en tierra, fácilmente accesibles para los trabajos de mantenimiento y servicio. La estación de red controla individualmente la potencia de salida real y reactiva, lo que permiten conectar los parques eólicos incluso a una red débil. Con la tecnología Windformer, las variaciones de la veloci- 3 Esquema del sistema Windformer. La corriente continua del parque eólico es transmitida por cable a una estación de red con invertidor, la cual se conecta directamente a la red de distribución. ABB Revista 3/2000 33
Transmission and Distribution 4 Grupo Windfomer con varios WTG. Capaz de suministrar hasta 40 MW de potencia, el grupo se conecta por medio del invertidor a una red de distribución de alta tensión. dad del viento o la sombra producida por otros WTG no producen fluctuaciones en la tensión de red, que pudieran afectar a los usuarios próximos. Esta es una consideración importante, especialmente en el caso de las redes eléctricas débiles. El uso de un invertidor para controlar la tensión de corriente continua permite regular indirectamente la velocidad del generador y por tanto optimizar la producción de energía en el proceso. Aunque se regula el paso de los álabes de la turbina, esto sirve únicamente para ajustar la potencia de entrada a fin de evitar una excesiva velocidad de la turbina. Un rotor con imanes permanentes convierte la energía cinética en energía eléctrica. El generador está directamente conectado a la turbina, funcionando a una frecuencia comprendida entre 5 y 10 Hz. La selección de la tensión, de 20 kv como mínimo, depende de la optimización del sistema Windformer. Un rectificador a diodos convierte la tensión de corriente alterna de baja frecuencia en corriente continua. Un parque eólico Windformer está formado por varios grupos. En la configuración actual, los grupos tiene una potencia nominal máxima de 40 MW, estando conectados mediante cables de corriente continua a un invertidor situado en una estación de red en tierra. Tabla: Comparación de Windformer y un parque eólico convencional basado en un generador asíncrono Windformer Turbina Generador Powerformer Rotor de imanes permanentes Rectificator de diodo Cable de grupo de corriente continua Parque eólico basado en generador asíncrono Turbina Caja de engranajes Generador asíncrono Equipo de corrección del factor de potencia Dispositivo de arranque suave Transformador de turbina Cable de grupo de corriente alterna En el mar En tierra <100 km <40 km >40 km Transformador de transmisión Transformador de transmisión Estación HVDC Light Plataforma de alta mar para el Plataforma marina para HVDC Light transformador de transmisión y transformador de transmisión Cable de transmisión de corriente Cable de transmison de corriente Cable de transmisión de continua alterna corriente continua Invertidor Estación SVC Estación HVDC Light Transformador del sistema Transformador del sistema Transformador del sistema 34 ABB Revista 3/2000
La configuración de tensión del parque eólico se selecciona, entre otras cosas, en función diferencias entre Windformer y un parque eólico hasta 130-230 kv. En la Tabla se muestran las de la conexión de red existente y de la normativa local sobre la misma, así como de la potencia El sistema energético Windformer de ABB convencional. de salida del parque eólico, de la máxima potencia de salida por unidad de superficie, de la das del sistema son muy bajas, la electrónica de presenta varias ventajas características: las pérdi- distancia a la conexión de red y de su impacto potencia en cada WTG se reduce al mínimo medioambiental (especialmente visual). aumentando así su disponibilidad, se reducen las A título de ejemplo, un parque eólico convencional a nivel de red de distribución com- se puede controlar individualmente la potencia fluctuaciones de la corriente alterna en la red y prende actualmente entre 10 y 100 generadores real y la reactiva. WTG que suministran entre 500 kw y 2 MW En resumen, el sistema de regulación ubicado en tierra optimiza la producción de energía cada uno, con generadores asíncronos de 0,7 kv de tensión nominal. Los generadores se conectan en serie con un transformador elevador de diferencia importante con respecto a los sistemas en la totalidad del parque eólico. Esto es una tensión. En un gran parque eólico, el transformador de la subestación eleva el nivel de tensión de los WTG individualmente. que regulan la potencia de salida de cada uno 5 Comparación de la góndola de un WTG de Windformer con la de un WTG convencional. Instalación piloto en preparación Muy pronto se instalará en Näsuden (Suecia) una planta piloto Windformer, projecto en el que participan ABB, Scanwind, Vattenfall AB y la Administración Sueca de la Energía. Aunque se trata de una versión marina estará ubicada en tierra para facilitar la realización de las pruebas y la evaluación de los programas requeridos. Cada WTG tiene una potencia nominal de 3,0 MW, que será mayor en caso de aplicación marina. Capaz de funcionar a velocidad variable, con velocidades de viento comprendidas entre 5 y 28 m/s, la instalación alcanza la potencia nominal de salida para una velocidad del viento de 13 m/s. Por debajo de la velocidad nominal de la turbina, el ángulo de pala se mantiene constante mientras que, a la velocidad nominal del viento, la pala se gira hacia la posición de bandera. La potencia de salida se reduce gradualmente de 3 MW a 500 kw para velocidades de viento de entre 18 y 27 m/s. Esto afecta poco a la producción anual de energía, pero contribuye significativamente a optimizar la vida útil del WTG. Considerando una velocidad media anual del viento de 8,0 m/s, se calcula que la producción anual de energía con los WTG situados en el mar será de aproximadamente 11 GWh. La turbina tiene tres palas de fibra de vidrio epoxídica de 90 metros de diámetro. La altura del buje en la central de Näsudden es de 70 metros. Windformer se basa en Powerformer El concepto de Windformer consiste en un generador con arrollamiento de cable (Powerformer) conectado directamente a la turbina. La velocidad variable, en torno a 18 rpm, reduce los esfuerzos, así como el nivel de ruidos a baja velocidad de viento. ABB Revista 3/2000 35
Transmission and Distribution 6 Sección del generador Windformer, mostrando el rotor y el estator con bobinado de cable. 7 Prototipo de WTG de Windfomer durante las pruebas de producción iniciales. Puede apreciarse claramente el estator con bobinado de cable y el rotor con imanes permanentes. Windformer no tiene caja de engranajes 5, 6. La eliminación de este componente reduce tanto las pérdidas como el mantenimiento. Merece la pena subrayar que un generador de velocidad fija a 1.500 rpm, accionado mediante caja de engranajes, gira en un mes tantas veces como un WTG Windformer accionado directamente durante diez años. Al reducir el número de componentes vulnerables, Windformer puede alcanzar unos niveles de fiabilidad y disponibilidad extremadamente altos. Estas dos características, y el menor mantenimiento, son fundamentales para las aplicaciones en el mar, ya que el acceso a los WTG es limitado. Se han tomado medidas especiales para asegurar que el generador soporte condiciones climáticas muy duras, provocadas por la constante humedad y por el aire salino. Estator El estator se basa en la tecnología Powerformer [3, 4, 5], lo que conlleva el uso de cables de sección circular 7 en lugar de conductores aislados de cobre, de sección cuadrada, como ocurre en un generador convencional. Dado que el campo eléctrico se encuentra totalmente confinado en el cable, en este sistema no se presenta ninguno de los problemas habituales provocados por las descargas en los devanados finales y en las conexiones, como sucede en los generadores convencionales. Las pérdidas en los devanados disminuyen debido al mayor nivel de tensión. La utilización de cables reduce también el riesgo de que se produzcan averías de fase a fase. El concepto en si hace que las corrientes de cortocircuito sean bajas. Y el menor número de componentes eléctricos, además, reduce la probabilidad de aparición de problemas de seguridad que afecten al gene- 36 ABB Revista 3/2000
8 Cálculo del flujo magnético generado en los imanes permanentes del WTG de Windformer. rador. Se puede afirmar, en definitiva, que un generador basado en la tecnología Powerformer ofrece más disponibilidad y eficiencia y que, dado que la instalación tiene menos componentes, los costes de explotación y de mantenimiento son menores. Durante el desarrollo de Windformer se realizaron diversas mejoras adicionales en la tecnología Powerformer. Por ejemplo, la totalidad del devanado del generador del Windformer se construye sin empalmes de cables. Rotor En todas las aplicaciones anteriores de Powerformer las espiras en los núcleos polares inducen el flujo magnético. La corriente magnetizadora y los anillos colectores requeridos son causa directa de pérdidas eléctricas. El campo magnético del estator de Windformer es creado por imanes permanentes, no siendo necesario utilizar equipos auxiliares para inducir el flujo magnético en el circuito del rotor 8. Un rotor con imanes permanentes no necesita refrigeración, ya que sus pérdidas son bajas. Además de la mayor eficiencia, el rotor de imanes permanentes aporta otras ventajas, tales como la mayor disponibilidad y fiabilidad y el menor mantenimiento. Durante el desarrollo del generador de Windformer se prestó especial atención a la optimización del circuito magnético, inclusive el dimensionado del circuito para evitar la desmagnetización de los imanes permanentes. El rotor es multipolar, con un gran diámetro del entrehierro, superior a 6 m; probablemente es el mayor rotor permanentemente magnetizado que se haya fabricado nunca. Windformer se adapta al funcionamiento en el mar. Así, para minimizar los niveles de mantenimiento y soportar las severas condiciones ambientales se utiliza material resistente a la corrosión en los imanes permanentes. Asimismo, los devanados de cable del estator de Powerformer han sido diseñados para resistir el duro clima marítimo, con lo cual no existe peligro de descarga disruptiva. Diversas evaluaciones del ciclo de vida, efectuadas en otras instalaciones que utilizan Powerformer, muestran las claras ventajas medioambientales del generador. Entre ellas cabe destacar su contribución a reducir el impacto medioambiental gracias a un mayor rendimiento global y el uso de materiales no agresivos para el medio ambiente. Los cables utilizados en los devanados del estator están aislados con polietileno entrecruzado (XLPE) y no contienen aceite. No se precisan transformadores de distribución aislados con aceite o material epoxídico y por tanto se elimina el peligro de incendio y el alto riesgo propio de la manipulación de aceite. Además, prácticamente todas las piezas del generador pueden ser recicladas al término de su vida útil. La utilización de imanes permanentes también tiene efectos positivos sobre el medio ambiente. Resumen La energía eólica, plenamente renovable, es la fuente generadora de electricidad con mayor crecimiento en todo el mundo. Superando en todo momento las previsiones, la capacidad instalada ha crecido desde prácticamente cero en 1990 hasta aproximadamente 13,4 gigavatios en la actualidad y se estima que la tasa de instalación podría alcanzar los 10 gigavatios anuales en 2005. Con sus múltiples ventajas, principalmente su alta potencia generada, su eficiencia y la sencillez de su diseño, el sistema Windformer está destinado a liderar la penetración de la energía eólica en el mercado de las energías renovables. Autores Dr. Mikael Dahlgren Harry Frank Dr. Mats Leijon Dr. Fredrik Owman Lars Walfridsson ABB Corporate Research SE-721 78 Västerås Suecia E-mail: mikael.dahlgren@se.abb.com Telefax: +46 21 32 30 66 Bibliografía [1] International Wind Energy Development, World Market Update 1999. BTM Consultant ApS (2000). [2] International Energy Outlook Report DOE/EIA-0484 (1999). [3] M. Leijon: PowerformerTM, una máquina rotativa radicalmente nueva. Revista ABB 2/98, 21-26. [4] M. Leijon et al: Breaking conventions in electrical power plants. CIGRE 1998, paper 11:1.1. [5] R. Dettmer: The heart of a new machine. IEE Review 44, no 6, 1998. ABB Revista 3/2000 37