Más allá de los combustibles fósiles: John McDonald sobre la energía eólica


Nota del editor: estas preguntas y respuestas forman parte de una encuesta realizada por ejecutivos de empresas dedicadas a desarrollar e implementar tecnologías de energía de combustibles no fósiles. ¿Qué obstáculos técnicos actualmente más limitan el crecimiento de la energía eólica? ¿Cuáles son las perspectivas para superarlos en el futuro cercano y en el largo plazo? Ya sea que

Nota del editor: estas preguntas y respuestas forman parte de una encuesta realizada por ejecutivos de empresas dedicadas a desarrollar e implementar tecnologías de energía de combustibles no fósiles.

¿Qué obstáculos técnicos actualmente más limitan el crecimiento de la energía eólica? ¿Cuáles son las perspectivas para superarlos en el futuro cercano y en el largo plazo?
Ya sea que estén construidos en tierra o en el mar, casi todos los aerogeneradores tienen los mismos problemas técnicos relacionados con el hecho de que el viento es naturalmente variable. Hoy en día, las mejores máquinas en los mejores lugares ahora ofrecen aproximadamente un 35% de "factor de carga" o nivel de eficiencia. El mayor problema en el diseño de las turbinas no son las palas, sino lo que no podemos ver. Es la necesidad de mejorar la energía de la máquina, los componentes de ingeniería alojados en la góndola o cuerpo de la turbina, que convierten esa energía cinética en electricidad.
El principal caballo de batalla de la góndola es el generador. Desarrolladas por primera vez en 1831 para la industria del carbón, estas máquinas mueven los cables de cobre más allá de los imanes para convertir la energía mecánica en electricidad. La premisa básica del sistema no ha cambiado mucho. Los generadores prosperan con una fuente de energía de entrada estable, como el carbón o la energía hidroeléctrica, y con este motor primario estable pueden operar a su máxima eficiencia en más del 90 por ciento. Este nivel de entrada de energía se denomina "punto dulce". Desafortunadamente, a velocidades fuera del punto óptimo, la eficiencia del generador disminuye drásticamente y se desperdicia una gran cantidad de energía disponible.
Si el viento se eleva por encima de este punto dulce, el eje acelerará y el par excederá la capacidad del generador, por lo que los ingenieros "lanzan" las cuchillas, literalmente las sacan del viento, y dejan que el exceso de energía pase, en esencia fingiendo el viento sigue soplando a una velocidad constante de 30 millas por hora. Si el viento cae por debajo del punto dulce, el eje disminuirá su velocidad, lo que provocará una caída en la eficiencia del generador. Para compensar, los ingenieros activan la caja de cambios para acelerar artificialmente el eje. La caja de engranajes "engaña" al generador para que piense que el viento todavía sopla de manera constante, pero se producen grandes pérdidas de eficiencia.
La caja de engranajes, el talón de Aquiles de la energía eólica, tiene muchas piezas móviles que requieren un mantenimiento frecuente y con frecuencia hacen que las turbinas estén fuera de servicio hasta el 10 por ciento del tiempo. Además, son tan pesados ​​que se requieren grúas raras y costosas para colocar los generadores en sus alojamientos de la góndola, lo que obstaculiza los proyectos de construcción. Finalmente, para aumentar la resistencia de los generadores, los ingenieros tradicionalmente expanden el diámetro de la máquina. Esto limita su tamaño al ancho de los caminos, o de lo contrario no podrían ser transportados.
Para la energía eólica marina, la industria deberá abordar la confiabilidad y las dificultades técnicas diseñando equipos más robustos y confiables. Primero, los puertos a menudo no son adecuados para administrar el tamaño de las turbinas en alta mar. En segundo lugar, las turbinas en alta mar tienen una tasa de falla muy alta y son incluso más costosas de reparar que las turbinas en tierra. Aquí nuevamente, la caja de engranajes demuestra ser el talón de Aquiles de la generación de energía eólica. Además, las turbinas marinas deben luchar contra los elementos ásperos y las propiedades de oxidación del agua salada. Al igual que las fallas en tierra, los problemas en el mar tienen el potencial de paralizar los retornos para los desarrolladores.
Estos desafíos técnicos significan que solo los sitios eólicos con ráfagas de viento fuertes son actualmente viables para la generación eólica, y se estima que solo hay 18, 000 millas cuadradas de dichos sitios en los EE. UU. Para que la energía eólica sea verdaderamente competitiva en costos con los combustibles fósiles, más sitios deben convertirse La tecnología nueva y viable debe avanzar para prosperar, en lugar de luchar, con la variabilidad del viento.
Con este fin, ExRo Technologies ha reinventado el generador para que funcione con una eficiencia máxima (más del 90 por ciento), sin importar qué tan rápido o lento sea el viento o la frecuencia con la que cambie su velocidad. Esta función de flexibilidad y escalabilidad se logra electrónicamente con un controlador, el "cerebro" de la góndola, eliminando así la necesidad de una caja de cambios propensa a fallas. El generador eléctrico de entrada variable, o VIEG (pronunciado "veej"), es capaz de producir energía desde casi cero a muy alto viento aumentando su capacidad de generación o ajustándose al viento disponible en tiempo real. Esto mejora la confiabilidad de la energía eólica de cualquier sitio, especialmente los sitios que se han considerado no aptos para la generación eólica debido a su baja velocidad de viento.
¿Existen obstáculos para ampliar la energía eólica para servir a una base de clientes nacional o mundial más amplia?
La disponibilidad de tierra y la integración de la energía eólica con el sistema de red más grande son los dos obstáculos para la ampliación de la energía eólica. En los Estados Unidos, casi todos los sitios considerados actualmente viables han sido secuestrados. La ampliación de la energía eólica significa encontrar formas de generar energía eólica en tierra donde el viento es demasiado bajo como para que los desarrolladores lo consideren una inversión lucrativa. Esto significa desarrollar nuevas tecnologías, como VIEG de ExRo, que puede producir energía incluso con viento casi cero. Esto abrirá vastos recursos de tierra, tanto rurales como urbanos, así como la optimización de la producción de los sitios eólicos actuales.
Los terrenos con condiciones de viento menos favorables ubicadas cerca del punto de consumo de energía pueden ser rentables con turbinas equipadas con VIEG. Esto facilita los problemas de transmisión asociados con toda la generación de energía renovable y reduce el elevado costo de construir una nueva infraestructura. Los parques eólicos tanto en tierra como en alta mar requieren nuevas líneas eléctricas que, además de los gastos, a menudo enfrentan la oposición de las comunidades locales.
Pero quizás la pieza más grande del rompecabezas es obtener energía eólica en línea con una señal que la red quiere y puede usar. Tradicionalmente, las señales de las plantas de viento fluctúan según la variabilidad del viento, lo que crea un voltaje desigual y frecuencias de señal. Esto hace que la generación de energía eólica esté muy infravalorada. A menudo se vende a algunas empresas de servicios públicos a una tasa de descuento de hasta el 30%.
Para compensar, los fabricantes de turbinas eólicas emplean sofisticados dispositivos electrónicos de potencia para "limpiar" la señal antes de enviarla a la red. Este procesamiento de la señal posterior al generador es costoso, no solo debido a los costosos equipos, sino también debido a la mayor ineficiencia de la salida de potencia eléctrica.
Al hacer coincidir la configuración del generador con la fuente de energía disponible, el VIEG de ExRo puede armonizar el voltaje de salida y la resistencia del sistema con los requisitos de la red. Esto significa una mayor capacidad y confiabilidad ofrecida a la red por cualquier sitio dado, lo que permite que se incorpore más energía renovable en la combinación de generación de red y beneficios económicos significativos para los operadores de plantas eólicas.
¿Puede la infraestructura energética existente manejar el crecimiento de la energía eólica? ¿O eso también necesita una modificación adicional?
La electricidad eólica rara vez se genera en el sitio donde se utilizará, por lo que la mejora de la red eléctrica actual es fundamental. Para escalar verdaderamente la energía eólica, es necesario mover grandes cantidades de energía a largas distancias, y con frecuencia los sitios más ventosos son también los más remotos. A menudo, los desarrolladores de proyectos tienen que trabajar con la empresa de servicios públicos para ejecutar las líneas de energía eléctrica en el sitio. Esta perspectiva por sí sola ha desalentado algunos proyectos.
Para mejorar esto, la red debe actualizarse con lo que se llama una red troncal de alto voltaje que abarca el país. Se puede encontrar un modelo para esto que va desde Indiana a través de Ohio hasta Virginia que ya opera una compañía llamada American Electric Power.
Dada la actual crisis económica, ¿puede su industria obtener el capital necesario (de fuentes públicas o privadas) para financiar adecuadamente su crecimiento?
Dados todos estos obstáculos técnicos, la energía eólica en los EE. UU. Todavía creció un récord del 50 por ciento en 2008, según la Asociación Americana de Energía Eólica. A medida que el financiamiento se ha agotado a raíz de los problemas del sector bancario, los expertos esperan ver menos energía eólica en funcionamiento en 2009. En la actualidad, la industria eólica está mirando hacia el proyecto de ley de estímulo y energía del gobierno de Obama para proporcionar mayores incentivos financieros para la inversión. . [ Nota del editor: esta encuesta se presentó antes de que se aprobara la ley de estímulo. ]
Sin embargo, debido a los cuellos de botella en la fabricación que enfrenta el sector eólico, es probable que los proyectos que ya se han planificado y se hayan pagado. Además, los proyectos eólicos tienden a planificarse en el transcurso de tres años, y esto les brinda a los desarrolladores eólicos la oportunidad de pedir generadores de VIEG para sus plantas eólicas y así obtener más energía eólica fuera de sus sitios.
Desde un punto de vista estratégico, ¿cuál es el mayor competidor para el viento: las tecnologías predominantes de carbón, petróleo y gas u otras tecnologías de energía alternativa?
El carbón y el gas natural son los mayores competidores de la energía eólica. Cuando se trata de generación de energía, el costo es el rey. Hasta que la energía eólica se pueda producir (y poner a disposición de los consumidores) por menos de la energía generada por el carbón, seguirá siendo una segunda opción para los compradores de energía. La dura realidad es que los factores de capacidad del 30 por ciento simplemente no son lo suficientemente altos como para impulsar el costo de la energía alternativa por debajo del costo del carbón, y el hecho de exprimir otro punto porcentual a través de una caja de cambios ligeramente mejorada o un sistema de vertido ligeramente mejor simplemente no funciona. para llevar a la nación a la meta del Departamento de Energía de 20 por ciento de capacidad eólica.
¿Hay un objetivo de costos que usted y otros en su industria pretenden alcanzar en, digamos, cinco años?
El mandato para ExRo es "Más barato que el carbón". Actualmente, el carbón genera más del 40 por ciento de toda la electricidad (50 por ciento en los EE. UU.), Según la Administración de Información de Energía de EE. UU. Esto se debe a que es la forma de energía más barata, tan baja como 2 centavos por kilovatio-hora (kWh). Para cumplir con la paridad de la red, la industria tiene que reducir su costo / kWh de hasta 5 centavos / kWh en algunas áreas. Otros lugares ven la energía eólica tan baja como 3.5 centavos / kWh, y se espera que este número disminuya en los próximos años con la tecnología avanzada de turbinas. Sin embargo, las pequeñas mejoras incrementales de una caja de engranajes ligeramente mejorada o un nuevo recubrimiento para las palas de la turbina no servirán de nada.
Se necesitan tecnologías que hagan frente a la naturaleza variable e intermitente del viento para superar la batalla de precios con el carbón. Con pruebas de terceros que muestran el potencial de ganancias de eficiencia de dos dígitos para turbinas, el VIEG está preparado para enfrentar el desafío. Tales mejoras en la eficiencia reducirán drásticamente el costo del viento / kWh y transformarán la opción de construir un nuevo parque eólico de uno altruista a uno económico.

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