Molino sin aspas diseñado para generar energía eléctrica en entornos residenciales e industriales

Comunicación presentada al IV Congreso de Ciudades Inteligentes

Autores

• Beatriz Garcinuño, Auxiliar de Desarrollo Rural del Ayuntamiento de Gotarrendura
• Raúl Martín Yunta, coCEO – COO, Vortex Bladeless
• David Jesús Yáñez Villarreal, coCEO – CTO, VortexBladeless

Resumen

Vortex Bladeless S.L. es una startup española que está desarrollando una nueva tecnología de aerogeneradores sin palas. Tras varios años de desarrollo en laboratorio se están empezando a testar prototipos en entornos reales de operación, la mayoría de ellos en el municipio de Gotarrendura. Si las pruebas resultan según lo previsto se demostrará la viabilidad técnica y económica de este nuevo instrumento de generación eléctrica. El proyecto está orientado a la generación distribuida y al autoconsumo, es decir, a la producción de energía eléctrica cerca de donde se necesita. Su principio de funcionamiento se basa en la resonancia aeroelástica que bajo ciertas circunstancias algunas estructuras presentan al interaccionar con el viento. Este tipo de dispositivos no contiene ningún elemento mecánico que pueda desgastarse por fricción por lo que se evita la necesidad de aceites y se minimizan los costes de mantenimiento. Vortex Bladeless es una compañía integrada principalmente por ingenieros, aunque también cuenta en su equipo economistas y expertos en energías limpias que trabajan día a día para convertir en una realidad esta nueva herramienta para el aprovechamiento eólico.

Palabras clave

Gotarrendura, Eólica, Vortex, Aerogenerador, Palas, Autogeneración, Energía, Startup, Molino

Introducción

El incremento continuo de demanda de energía por parte de las sociedades humanas ha sido una constante desde que se tienen datos históricos. De todos es conocido el profundo impacto que está teniendo la obtención de energía por medio de fuentes no renovables en el clima, la salud del planeta y la de sus habitantes. Su utilización ha sido permitida por la ignorancia inicial de sus efectos y por el cálculo erróneo de su coste.

Desde un punto de vista estrictamente económico, el cálculo del coste de la energía obtenida con una determinada fuente (un molino, una central nuclear, una central térmica, etc.) resulta de dividir todos y cada uno de los costes a los que hay que hacer frente para su obtención entre toda la energía que se obtiene durante la vida operativa de dicha fuente. Así, por ejemplo, para un molino se contempla toda la energía que se ha podido obtener de él desde su instalación hasta su desmantelamiento por un lado, y por otro, el coste que ha supuesto su fabricación, su transporte, su instalación, su puesta en marcha, su mantenimiento y por último y muy importante, el coste de su desmantelamiento para dejar las cosas como estaban. Normalmente, a la hora de estimar el coste de la mayoría de las fuentes no renovables, este último aspecto (dejar las cosas como estaban) no se contemplan. Nunca se introduce en el coste de la gasolina, por ejemplo, el coste sanitario y el coste climático, la limpieza de la atmósfera, etc. Este coste es real y a él hacemos frente a todos nosotros y es una deuda que estamos descargando sobre las espaldas de las futuras generaciones.

Por otro lado, aproximadamente el 10% de la energía que transportan las redes de suministro eléctrico nunca llega a su destino y se acaba disipando en la atmósfera en forma de calor. En los últimos años, el paradigma bien establecido que conecta a suministrador y consumidor está dando paso al autoconsumo, es decir, la generación de energía cerca de donde se necesita y producida por el consumidor final. El principal actor que permite evitar la necesidad de transportar electricidad a grandes distancias es la fotovoltaica. Su mejora en rendimiento y la bajada de precios que ha sufrido en la presente década la han convertido en la reina de la energía distribuida. Este protagonismo no está siendo compartido de igual manera por el viento. La energía minieólica, si bien está creciendo año a año, no lo está haciendo de manera comparable.

Proyecto

En el año 2013 se fundó Vortex Bladeless S.L. con un único “objeto social”, desarrollar la tecnología que hiciera realidad este nuevo tipo de aerogenerador. Tras recibir diferentes premios, realizar dos rondas de financiación cubierto por capital privado y una ayuda del programa H2020 MSE Instruments el proyecto se encuentra ya en las últimas fases previas a su salida al mercado. Se han establecido acuerdos de colaboración con múltiples universidades y organismos públicos de investigación (figura 1) y centros de computación.

El proyecto que desarrolla Vortex Bladeless comenzó desde un primer momento a ensayar equipos en el municipio de Gotarrendura (figura 2) y tiene como objetivo ayudar a introducir en el autoconsumo la energía procedente del viento. Su tecnología recoge las características que hacen de la fotovoltaica la favorita en los entornos habitados: bajo mantenimiento, mínimo impacto medioambiental y bajo coste, y trata de imitar así su atractivo, pero trasladado al viento.

La intermitencia es una de las principales desventajas de las energías renovables. Por ello, los expertos consideran que la combinación de diferentes fuentes de energía (sol, viento, hidráulica, etc.) tiene un carácter sinérgico y no competitivo. Es decir, su utilización conjunta es mejor que su utilización por separado. Estos dispositivos se están diseñando para que sean compatibles con las instalaciones de paneles solares por todos conocidos y de esta manera introducir en el mercado una herramienta que ayude a fomentar el autoconsumo en entornos domésticos, agrícolas e industriales.

Método y tecnología

Como ya se ha mencionado, estos aerogenerados sin palas basan su funcionamiento en la conocida como resonancia aerodinámica, más concretamente en los fenómenos de VIV [2] o vortex shedding (figura 3). Cuando un objeto es introducido en un fluido laminar, su estela presenta remolinos o vórtices que inducen dos tipos de fuerzas sobre su superficie. Por un lado están las fuerzas de arrastre y por otro las fuerzas de sustentación. Estas últimas tienen un carácter alterno, es decir, cambian de signo y además lo hacen a una frecuencia dependiente de la velocidad del fluido. Cuando dicha frecuencia coincide o es próxima a la frecuencia de oscilación natural del objeto, se puede producir la resonancia, por la que la energía contenida en el fluido se transmite a la estructura.

Este fenómeno normalmente es considerado por ingenieros de estructuras y arquitectos como un problema dado que pueden producir peligrosas oscilaciones en puentes, chimeneas, edificios esbeltos, etc. Un ejemplo académico bien conocido es el colapso de Tacoma Narrows (Figura 4), acaecido en el año 1940 por un fenómeno de resonancia aerodinámica.

Este evento es un ejemplo de estructura que, sin haber sido diseñada para recoger energía del viento, absorbió la  suficiente como para sobrepasar las cargas de diseño del puente y acabar derrumbándose. El puente, además, es una estructura “simple” que no tiene engranajes, rodamientos, ejes, ni ningún tipo de actuador. El objetivo de Vortex Bladeless es desarrollar un dispositivo que reproduzca de manera deliberada y optimizada este fenómeno manteniendo la máxima simplicidad mecánica y funcional.

Resultados y discusión

Este nuevo tipo de aerogenerador oscila en vez de rotar. Uno de los retos técnicos del concepto reside en ser capaces de mantener esta oscilación inducida por la resonancia a diferentes velocidades de viento. El rango de velocidades de viento en los que se mantiene el movimiento del dispositivo se denomina rango de lock-in, y sin utilizar ninguna estrategia que lo incremente, esta horquilla de velocidades es de apenas un par de metros por segundo. Con un sistema de “sintonizado” introducido en el alternador del dispositivo, el rango de velocidades de viento en los que el dispositivo se mantiene activo se ha logrado duplicar o triplicar con cierta facilidad. Así, en los ensayos realizados en el casco urbano de Gotarrendura se ha podido comprobar que los prototipos empiezan a funcionar a los 3,3m/s y mantienen su oscilación a velocidades en torno a 8 m/s. La función de distribución de Weibull que rige la probabilidad de la aparición de estas velocidades de viento indica que, en un entorno plenamente urbano, el porcentaje de recurso eólico disponible en ese punto supera con facilidad el 85% del total. Las velocidades superiores a los 9m/s inducen una frecuencia de aparición de vórtices más elevada de la que el sistema de sintonizado y el dispositivo pueden aceptar, al contrario que los molinos convencionales, se detiene inmediatamente sin necesidad de un sistema de frenado.

Desde hace ya más de cuatro meses está operando con normalidad un aerogenerador vortex integrado en la instalación fotovoltaica que alimenta el grupo de presión de agua potable del Gotarrendura (figura 5). A pesar de haber sido diseñado como un modelo de túnel de viento y contemplar en su fabricación su adecuación a la intemperie, el dispositivo a día de hoy parece funcionar con normalidad y sin haber tenido que intervenir en ningún momento para realizar labores de mantenimiento.

Conclusiones

La colaboración entre municipios e iniciativas tecnológicas privadas es enormemente beneficiosa para ambas partes. Por un lado, los pueblos o ciudades se convierten así en un escenario vivo de intercambio, desarrollo y actividades con impacto directo o indirecto en su economía, siendo partícipes del dinamismo y la visibilidad que este tipo de proyectos traen consigo. Además se pueden beneficiar de los más avanzadas herramientas que las nuevas tecnologías brindan incluso antes de que éstas estén disponibles en el mercado.

Las iniciativas tecnológicas privadas por su parte, disponen así de la posibilidad de ensayar sus desarrollos bajo condiciones reales, idénticas a las que han sido diseñados y muy difícilmente reemplazables por las artificiosas condiciones de simulación y ensayo que un laboratorio puede proporcionar. Además, se nutren del retorno de información relevante que los residentes de los municipios proporcionan, al ser éstos los usuarios más cercanos a sus desarrollos.

En el corto plazo, Vortex Bladeless va a disponer de dispositivos de mayor potencia y de diseño más optimizado con los que continuar con esta fructífera colaboración que se viene realizando con Gotarrendura (figura 6). Si el desarrollo de Vortex avanza adecuadamente, los municipios podrán realizar instalaciones del aerogenerador en las distintas dependencias, que junto a otras instalaciones energéticas, tendrán una sinergia adecuada para que el consumo de energía sea lo más económico y sostenible posible.

Agradecimientos

Nuestro agradecimiento a los ciudadanos de Gotarrendura y a todo el resto de ciudadanos europeos por apoyar el proyecto Vortex Bladeless y ser un miembro más de nuestro equipo.

Referencias

• J. C. Cajas et al, 2017, Fluid Structure Interaction Based onHPC Multi-Code Coupling
• J. Kim Vandiver, 2012, Damping Parameters for flow-induced vibration
• Beatriz & Fernando,2017, Gotarrendura, Cuna de la Tradición y la Innovación. El Municipio más Pequeño de España con la Distinción «Ciudad de la Ciencia y la Innovación»
• Miguel Angel S. H., 2017, Diseño y Optimización de Una Estructura Cilíndrica Para un Desprendimiento Uniforme de Vórtic