En todo el mundo, los aerogeneradores se están haciendo más altos para captar más energía de los vientos más fuertes que soplan a mayor altura.
Pero construir torres más altas no es fácil, y a veces ni siquiera resulta económicamente viable, debido a las limitaciones de transporte relacionadas con el diámetro de las torres y al coste de la construcción.
Ahora Keystone Tower Systems —cofundada por Eric Smith ’01, SM ’07, Rosalind Takata ’00, SM ’06, y Alexander Slocum, profesor Pappalardo de Ingeniería Mecánica del MIT— está desarrollando un sistema novedoso que adapta una tecnología tradicional de fabricación de tuberías para producir aerogeneradores in situ, en parques eólicos, y hacer más viable económicamente la construcción de torres más altas.
El sistema de Keystone es una modificación de la soldadura en espiral, un proceso que se ha utilizado durante décadas para fabricar tuberías grandes. En ese proceso, se introducen láminas de acero por un extremo de una máquina, donde se enrollan continuamente en espiral mientras se sueldan sus bordes para formar una tubería, algo parecido a un tubo de papel de cocina gigantesco.
Desarrollado por Smith, Takata y Slocum —junto con un equipo de ingenieros, entre ellos Daniel Bridgers SM ’12 y Dan Ainge ’12—, el sistema de Keystone permite estrechar los rollos de acero y variar su grosor para crear una torre cónica. El sistema está altamente automatizado —utiliza aproximadamente una décima parte de la mano de obra de la construcción tradicional— y emplea acero para fabricar toda la torre, en lugar de hormigón. «Así resulta mucho más rentable construir torres mucho más altas», afirma Smith, director ejecutivo de Keystone.
Con la fabricación in situ de Keystone, los fabricantes pueden construir torres de más de 400 pies, afirma Smith. El viento a esa altura puede ser hasta un 50 por ciento más fuerte y, además, no queda bloqueado por los árboles, señala Smith. Una torre de 460 pies, por ejemplo, podría aumentar la captación de energía entre un 10 y un 50 por ciento frente a las torres más habituales hoy en día, de 260 pies.
«Depende del lugar», añade Smith. «Si vas a algún sitio del Medio Oeste donde hay llanuras abiertas, pero no árboles, verás una ventaja, aunque quizá no sea grande. Pero si vas a un lugar con cubierta arbórea, como Maine —porque los árboles reducen la velocidad del viento cerca del suelo—, puedes ver un aumento del 50 por ciento en la captación de energía con el mismo aerogenerador».
Cómo resolver los problemas de transporte
El valor del sistema de Keystone reside en sortear las limitaciones al transporte de aerogeneradores que han afectado al sector durante años. Las torres se fabrican en segmentos que se envían a los parques eólicos para su montaje. Pero su diámetro está limitado a unos 14 pies, para que los camiones puedan transportarlas con seguridad por las carreteras y bajo los puentes.
Esto significa que, en Estados Unidos, la mayoría de las torres para aerogeneradores de 2 o 3 megavatios están limitadas a unos 260 pies. En Europa, las torres más altas (de hasta unos 460 pies) se están volviendo habituales, pero requieren importantes concesiones estructurales o de fabricación: se construyen con paredes de acero muy gruesas en la base (lo que requiere más de 100 toneladas de acero adicional), o con más de 1.000 toneladas de bloques de hormigón en la mitad inferior de la torre, o se ensamblan a partir de numerosos elementos de acero con miles de pernos.
«Si diseñaras una torre de 500 pies para aprovechar vientos fuertes, teniendo en cuenta la fuerza que ejerce sobre un aerogenerador, querrías que tuviera al menos 20 pies de diámetro en la base», explica Smith. «Pero no hay manera de soldar en una fábrica una torre de 20 pies de diámetro y transportarla hasta el parque eólico».
En cambio, Keystone lleva su máquina móvil de tamaño industrial y las láminas de acero con forma de trapecio que se introducen en el sistema. En esencia, las láminas son trapecios de tamaño creciente: primero se introduce en la máquina la pieza más corta y, al final, la más larga. (Si se colocaran todas las láminas planas, borde con borde, formarían una espiral involuta). Al soldar sus bordes, las láminas se ensamblan en forma cónica. La máquina puede fabricar aproximadamente una torre al día.
Es posible cualquier diámetro, afirma Smith. Para torres de 450 pies y 3 megavatios, basta con una base de 20 pies de diámetro. (Incluso aumentar el diámetro unos pocos pies, dice, puede hacer que las torres sean casi el doble de resistentes para soportar la tensión).
Smith compara el proceso con la instalación doméstica actual de canalones pluviales: para ello, profesionales se desplazan hasta una casa e introducen bobinas de aluminio por un extremo de una máquina especializada que da forma al metal para crear un canalón sin juntas. «Es una alternativa mejor que comprar secciones individuales y llevarlas a casa para ensamblarlas», afirma. «El sistema de Keystone es eso, pero a una escala muchísimo mayor».
La historia de Keystone
Smith, que estudió ingeniería mecánica e ingeniería eléctrica e informática en el MIT, concibió un proceso de soldadura en espiral cónica mientras realizaba un estudio independiente sobre cuestiones relacionadas con la energía eólica junto con Slocum.
Tras graduarse en el MIT, Smith dirigió una empresa de consultoría de diseño de maquinaria y evaluaba para inversores empresas emergentes y tecnologías del sector eólico y de otras industrias. Cuando la energía eólica empezó a cobrar impulso hace unos cinco años, los inversores de capital riesgo pronto financiaron a Smith, Slocum y otros expertos en energía eólica para estudiar oportunidades de reducir costes en grandes aerogeneradores terrestres.
Por ejemplo, el equipo estudió el desarrollo de controles avanzados para los sistemas de transmisión y diseños de rotores. «Pero en ese estudio detectamos que el transporte de las torres era uno de los mayores cuellos de botella que frenaban al sector», afirma Smith.
Con la ayuda de Slocum, Smith descubrió cómo adaptar las máquinas de soldadura en espiral para fabricar tubos cónicos y, poco después, junto con Slocum, diseñó una máquina a pequeña escala patentada, financiada con una subvención de 1 millón de dólares del Departamento de Energía. En 2010, Smith y Slocum fundaron Keystone junto con Rosalind Takata ’01, SM ’06 para seguir desarrollando el sistema en Somerville, Massachusetts. Desde entonces, la empresa trasladó su sede a Denver.
Al fundar Keystone, Smith atribuye parte del mérito al Venture Mentoring Service (VMS) del MIT, que asesoró a los cofundadores de la empresa emergente en todo, desde la creación inicial de la empresa hasta la ampliación del negocio. Smith aún mantiene el contacto con VMS para recibir consejos sobre cómo superar obstáculos habituales de la comercialización, como conseguir y conservar clientes.
«Ha sido muy valioso», dice sobre VMS. «Cuando fundas una empresa en una etapa inicial, surgen muchos temas distintos, y es bueno contar con asesores que ya lo han visto todo».
Ampliar el alcance en el país
Keystone está realizando ahora la validación estructural de las torres fabricadas con su sistema, en colaboración con ingenieros estructurales de Northeastern University y Johns Hopkins University. Durante el último año, la empresa emergente ha trabajado para instalar un prototipo a pequeña escala (de unos seis pisos de altura) en el Bates Linear Accelerator Center, propiedad del MIT, en Middleton, Massachusetts, a principios de 2015.
Pero el mes pasado, Keystone recibió otra subvención de 1 millón de dólares del DOE para diseñar la operación móvil a escala completa. Ahora, la empresa trabaja con el fabricante danés de aerogeneradores Vestas Wind Systems y otros fabricantes de turbinas para planificar la producción a escala completa, y está recaudando inversiones para construir la primera máquina a escala comercial.
Aunque sus primeros destinos quizá sean Alemania y Suecia —donde se construyen torres eólicas más altas con mayor frecuencia, pero mediante métodos tradicionales más costosos—, Smith dice que espera vender el sistema en Estados Unidos, donde las torres más bajas (de unos 260 pies) siguen siendo la norma.
Según Smith, los primeros usuarios en Estados Unidos probablemente estarían en zonas con vientos fuertes y también una densa cubierta arbórea. En Maine, por ejemplo, solo una pequeña parte del estado es económicamente viable para la energía eólica hoy en día, porque los árboles bloquean el viento de las turbinas más bajas del estado. En el Medio Oeste, la energía eólica ya ha alcanzado la paridad de red y compite incluso con el gas natural de bajo coste actual; pero en zonas como Nueva Inglaterra y el sureste, se necesitan torres más altas para alcanzar los vientos fuertes que hacen económicamente viable la energía eólica.
«Cuando llegas a las alturas que estamos considerando», afirma Smith, «se abre realmente todo el país a los aerogeneradores capaces de captar grandes cantidades de energía».
Publicado en colaboración con MIT News
Autor: Robert Matheson es asistente editorial sénior en MIT News
Imagen: Gigantescos aerogeneradores salpican el horizonte al amanecer cerca de Honrrubia, en el centro de España, a primera hora del 11 de febrero de 2004. REUTERS/Sergio Perez
