Windguest #3 - Tipos de trenes de potencia de aerogeneradores
Los fabricantes de aerogeneradores han explorado múltiples configuraciones de tren de potencia. Hoy en día conviven distintas arquitecturas, cada una con sus fortalezas y limitaciones.
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El artículo de hoy ha sido escrito en colaboración con Pablo Carazo Morales. Pablo es Ingeniero Mecánico con más de 10 años de experiencia en el sector eólico onshore y offshore, habiendo trabajado tanto en el lado fabricante como en el lado desarrollador. Además, colabora con Windtechs, un Market Intelligence de tecnología de aerogeneradores. Podéis seguirles en LinkedIn o visitar su página web aquí.
Os dejo con él.
⚙️ Tipos de trenes de potencia de aerogeneradores
A lo largo de las últimas décadas, los fabricantes de aerogeneradores han explorado múltiples configuraciones de tren de potencia, y han ido pivotando de uno a otro como consecuencia de una suma de innovaciones tecnológicas y experiencia operativa.
El tren de potencia está formado por todos los componentes mecánicos y eléctricos entre el rotor (buje y palas) y el generador. Su principal función es adaptar la velocidad de giro del rotor a la del generador (si es que eso es necesario, como veremos más adelante).
Tras 40 años de historia, el mercado ha reducido la cantidad de opciones de trenes de potencia, pero no ha convergido en una única solución. Hoy en día, conviven distintas arquitecturas, cada una con sus fortalezas, limitaciones y contextos de uso óptimos.
Clasificación de los trenes de potencia
En función de la velocidad de giro del generador, los trenes de potencia se clasifican en tres grandes categorías:
Alta velocidad o High Speed (HS): incorporan una multiplicadora de 3 o 4 etapas que eleva la velocidad del rotor hasta velocidades superiores a las 1.000 rpm en el generador.
Media velocidad o Medium Speed (MS): utilizan una multiplicadora más simple, de 1 o 2 etapas, alcanzando velocidades intermedias de entre 100 y 600 rpm.
Accionamiento directo o Direct Drive (DD): prescinden de la multiplicadora. El rotor se conecta directamente al generador, que gira a la misma velocidad, generalmente de entre 8-15 rpm dependiendo del tamaño del rotor (generalmente a rotor más grande, menor velocidad de giro).
Con el paso de los años, finalmente son principalmente cuatro los trenes de potencia que dominan el mercado.
DFIG (Double Feed Induction Generator o Generador de Inducción Doblemente Alimentado) + Partial Converter. Es un drive train de alta velocidad. Es el tren de potencia utilizado por Nordex, Siemens Gamesa (onshore, con tecnología exGamesa) y General Electric (onshore). Es el Type C de la foto inferior. El desarrollo de la tecnología DFIG sin duda marcó un punto de inflexión en la industria, que todavía llega hasta día de hoy.
SCIG (Squirrel Cage Induction Generator o Generador de Inducción de Jaula de Ardilla) + Full converter. También es un tipo de generador asíncrono como el DFIG, pero sin escobillas (slip rings). Vestas ha utilizado este tipo de generador en sus plataformas hasta la 4MW, que ha sido realmente exitosa, especialmente la V150-4.X. Es el Type F de la foto inferior.
Medium Speed PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator o Generador Síncrono de Imanes Permanentes) + Full converter, también llamado, especialmente por los fabricantes chinos, como hybrid drive. Es un drive train de media velocidad. Es el Type E de la foto inferior. Es el tren de potencia utilizado por Vestas en su plataforma EnVentus.
Direct Drive PMSG + Full converter. Es un drive train de baja velocidad que prescinde de la multiplicadora. Es el Type D de la foto inferior. Es el tren de potencia utilizado por Enercon (que también tiene en su portfolio la configuración EESG), Siemens Gamesa (offshore), General Electric (offshore).
Históricamente, los trenes de potencia de alta velocidad fueron la opción preferente de los fabricantes. Sin embargo, en los últimos años, se puede ver una transición hacia tren de potencia de media velocidad tanto en onshore como en offshore por muchos OEMs tanto occidentales (Vestas) como chinos (Goldwind o Mingyang).
El paso de alta velocidad a media velocidad no responde a un solo motivo, sino que obedece a una combinación de factores técnicos y operativos que han ganado peso en los últimos años:
Por un lado, los generadores DFIG, típicos de trenes de alta velocidad, incorporan anillos rozantes para conectar el rotor al convertidor parcial. Estos componentes están sometidos a un desgaste significativo y requieren intervenciones frecuentes de mantenimiento, lo que incrementa las tareas de O&M.
Por otro lado, aunque el DFIG con convertidor parcial representa una solución más económica frente al PMSG con convertidor total, sus prestaciones son inferiores en términos de cumplimiento del código de red. En mercados con exigencias estrictas en este ámbito como Australia, esta limitación puede ser determinante.
Además, a medida que se crece en tamaño y potencia, las multiplicadores de alta velocidad empiezan a ser cada vez más complejas. Aunque también es cierto que eso no ha evitado que Sany escale sus aerogeneradores DFIG hasta los 15 MW.
El caso de Vestas es especialmente llamativo, habiendo recorrido diferentes trenes de potencia a lo largo de su historia y manteniendo varios de ellos actualmente en su portfolio:
Descatalogadas: trenes de potencia high speed con arquitectura DFIG + Partial Converter (V5X, V80, V90…)
Plataforma 2MW: trenes de potencia high speed con arquitectura DFIG + Partial Converter (V110-2.0 MW, V120-2.2 MW)
Plataforma 4MW: trenes de potencia high speed con arquitectura SCIG + Full Converter (V117, V126, V136, V150, V163 en el rango de 3.45 y 4.5 MW).
Plataforma EnVentus: trenes de potencia medium speed con arquitectura PMSG + Full Converter (V150, V162, V172 en el rango de 6 y 7.2 MW).
Otras como Siemens Gamesa, también tienen mucha variedad en su portolio. En onshore, las máquinas DFIG dominan las ventas, pero también están disponibles las Direct Drive para ciertos mercados como el japonés, así como las asíncronas con full converter para el mercado de Estados Unidos. Podéis ver portfolio onshore de SGRE aquí.
En onshore el uso de la media velocidad frente a la habitual alta velocidad presenta bastantes ventajas:
Se elimina la etapa de mayor velocidad en la multiplicadora que es la que tiene más gasto en OPEX.
Se reducen las actividades de O&M al pasar a un generador tipo PMG (generador síncrono de imanes permanentes) frente al clásico asíncrono doblemente alimentado (DFIG).
Mejora el cumplimiento del código de red y comportamiento frente a huecos de tensión.
El principal inconveniente que no es despreciable es que es una solución de mayor CAPEX (PMG y full converter) frente a alta velocidad (HS) con DFIG.
En la siguiente gráfica podemos ver la previsión del crecimiento del tren de potencia de media velocidad en los próximos años.
En offshore hay un equilibrio entre soluciones de accionamiento directo (con predominio de SGRE por su peso en offshore) y media velocidad (Vestas, Mingyang…), siendo residual las soluciones de alta velocidad con multiplicadora.
Las principales ventajas de la media velocidad son las siguientes:
Reducción en la cantidad de imanes permanentes y tierras raras (1:4).
Reducción del tamaño y peso del generador.
Sin embargo, el principal inconveniente es que en offshore siempre ha primado más la fiabilidad frente al CAPEX y el hecho de añadir la multiplicadora (que es un componente con necesidades de O&M) hace que el OPEX pueda ser mayor (necesidad de barco instalación o jack-up vessel, coste personal desplazado).
Como conclusión podemos asegurar que la tipología de tren de potencia de media velocidad ha venido para quedarse tanto en onshore como en offshore impulsada con fabricantes de primer nivel como Vestas, Goldwind o Mingyang.
Otros como SGRE, Nordex o GE se mantienen con su tecnología de alta velocidad en onshore o direct drive en el caso de SGRE en offshore, y previsiblemente lo harán durante muchos años.
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