Madrid
Un grupo de investigadores de la Universidad Carlos III ha publicado recientemente un artículo científico sobre un simulador que permite analizar la eficiencia de sistemas basados en cometas y drones transformando la energía cinética del viento en eléctrica. Gonzalo Sánchez Arriaga, Investigador Ramón y Cajal UC3M y Ricardo Borobia Moreno, Ingeniero Aeronáutico INTA, explican en qué consiste este proyecto.
¿Qué es la generación de energía con sistemas aerotransportados?
Los sistemas de generación de energía aerotransportada (AWES, por sus siglas en inglés) son una nueva tecnología que producen energía eléctrica a partir del viento y operan a grandes altitudes (normalmente por encima de 500 metros). Involucran una aeronave, como una cometa flexible gigante o una aeronave de ala fija, unida al suelo mediante un cable.
¿Cómo producen energía los sistemas AWE?
Según el esquema de generación, existen dos familias de tecnologías AWE. En los llamados sistemas de generación en tierra, el cable está enrollado en un tambor conectado a un generador instalado en el suelo. La aeronave vuela según una trayectoria cíclica que tiene dos fases. En la primera, la fuerza en el cable es muy alta y se usa para hacer girar el tambor y producir energía mientras el cable se desenrolla. En la segunda, la fuerza en el cable es pequeña y este se recoge enrollándolo de nuevo en el tambor gracias a un motor que consume una cierta cantidad de energía. En cada ciclo se obtiene una potencia neta. En los sistemas de generación en vuelo, la energía se genera por un conjunto de aerogeneradores embarcados en la aeronave y se transmite a tierra por el propio cable, que en ese caso es conductor. Actualmente, existen demostradores tecnológicos de ambas familias y aún no sabemos cuál es más eficiente y fiable.
En ambos esquemas de generación, la cometa (aeronave fijada al suelo por un cable) va a seguir unas trayectorias perpendiculares al viento, de forma análoga a como lo hacen las palas de los molinos de viento convencionales, haciendo que las fuerzas generadas y por tanto la potencia extraída de la atmósfera sean mucho mayores que si simplemente la cometa estuviese volando de forma estacionaria. Por tanto, la cometa se convierte así en un "dron" que debe ser capaz de volar de forma autónoma durante largos periodos de tiempo siguiendo dichas trayectorias.
¿Qué ventajas ofrecen los sistemas AWE frente a los aerogeneradores convencionales?
En comparación con los aerogeneradores convencionales, las ventajas de los sistemas AWE están basadas en tres argumentos sencillos. Primero, la potencia eléctrica ideal que una máquina eólica es capaz de producir escala típicamente con el cubo de la velocidad del viento. Es decir, operar en un lugar donde la velocidad del viento sea por ejemplo el doble con respecto a otro, incrementa la potencia en un factor ocho. En segundo lugar, la fabricación e instalación de la torre de un aerogenerador, un elemento que no produce energía, constituyen una fracción muy importante de su coste total. Por último, la parte de las palas más cercanas a la torre no contribuye significativamente a la producción de energía.
En base a este razonamiento surgen las tecnologías AWE. Operan a mayor altura, donde el viento es más intenso y menos intermitente, y las costosas torres y palas de los aerogeneradores convencionales son sustituidas por un cable y una aeronave. Además, al aumentar la altura de operación, el impacto visual es menor y, en general, son sistemas compactos de fácil transporte, lo cual es útil para generar energía en lugares remotos de difícil acceso.
Además, dado que el viento en altura es más constante que en superficie, un sistemas AWE consigue una generación de energía más estable en el tiempo, y por tanto una mejor relación entre la potencia máxima que es capaz de generar y la potencia media que realmente genera, lo que se conoce como un mayor factor de utilización.
¿Qué retos tienen que superar los sistemas AWE?
La eficiencia de una tecnología y la cantidad de energía que pueda generar no son en absoluto los únicos factores que determinan su viabilidad. Hay otros que son igual o incluso más importantes como por ejemplo la capacidad para operar de manera autónoma y en un espectro amplio de condiciones ambientales, la seguridad, y la fiabilidad. En ese sentido, los aerogeneradores convencionales han demostrado un éxito rotundo. Una vez instalados y con el correcto mantenimiento cumplen todos estos requisitos.
Los AWE son tecnologías disruptivas con un gran potencial, pero aún tienen que demostrar que son capaces de despegar, operar, y aterrizar de manera autónoma y en condiciones ambientales cambiantes. Evidentemente estas no son acciones sencillas para una aeronave sujeta al suelo por un cable de cientos de metros de longitud y que además tiene que volar según cierta trayectoria. Sin embargo, existen en la actualidad varios demostradores tecnológicos que generan del orden de cientos de kilovatios y cada vez es más habitual escuchar hablar de dar el salto al megavatio. Estos demostradores son fundamentales, ya que están permitiendo adquirir experiencia con los sistemas AWE e ir resolviendo los problemas técnicos. En 10 años se ha pasado de poner el foco en la generación de energía a la fiabilidad y la seguridad de las operaciones, lo cual indica un paso importante en términos de madurez.
En este sentido, la integración de estas aeronaves en el espacio aéreo supondrá sin duda un reto para la industria ya que se deberá proveer a las autoridades regulatorias con evidencia de que la operación de estos sistemas no supondrá un riesgo para otros usuarios del espacio aéreo o en tierra.
Más allá de la generación de energía, ¿qué aportan los sistemas AWE?
Los sistemas AWE son altamente interdisciplinares ya que combinan áreas clásicas de la ingeniería eléctrica y la aeronáutica, como el diseño de máquinas eléctricas, la aeroelasticidad o el control, con otras más recientes y no convencionales relacionadas con los drones y la dinámica de cables. Eso quiere decir que los equipos que están trabajando en sistemas AWE no solo se están enfrentando a una serie de problemas nuevos y desarrollando modelos, tecnologías y conocimientos innovadores, sino que además están mezclando diferentes campos de investigación. Cuando eso ocurre el resultado siempre suele ser bueno, tanto para los propios sistemas AWE como para el resto de áreas involucradas.
La tecnología necesaria para desarrollar este tipo de sistemas va a ser puntera en muchas disciplinas, no sólo en lo referente a la aeronáutica, y por tanto el desarrollo de estos sistemas puede actuar como un catalizador del desarrollo tecnológico y científico de nuestro país.
¿Cuál es el estado actual de los sistemas AWE a nivel mundial?
En los últimos 10 años la comunidad AWE ha recibido fondos privados y públicos de manera sostenida. Por ejemplo, del programa H2020 de la Comisión europea, se han recibido unos 13 millones de euros. En Europa hay alrededor de 20 compañías y en Estados Unidos unas 5. Algunas de ellas tienen sus propios demostradores tecnológicos a pequeña escala y con un TRL (Technology Readiness Level) de alrededor de 5. Entre los próximos retos se encuentran el de hacer ensayos de larga duración y avanzar en aspectos claves como la autonomía, la fiabilidad y la seguridad. Obviamente, al tratarse de aeronaves operando de manera autónoma, también hay que recorrer un camino importante en aspectos regulatorios.
¿Cómo son la situación actual y las perspectivas en España ?
España es un país pionero en energía eólica y ocupa un lugar privilegiado en términos de investigación y desarrollo en aerogeneradores convencionales. Sin embargo, lleva unos 10 años de retraso en tecnologías AWE porque no ha estado en esta primera fase liderada por Holanda, Alemania e Italia. Sin embargo, no es tarde, y gracias al proyecto GreenKite algunas empresas españolas ahora conocen la tecnología y han contactado con nosotros para obtener más información. Estamos a tiempo de coger el tren y aprovechar esta oportunidad para generar nuevas empresas con el correspondiente empleo altamente cualificado.
En muchos ámbitos, esta tecnología era desconocida a nivel nacional, cuando sin embargo a nivel europeo existe una comunidad muy potente en torno a los sistemas AWE. A este respecto, recientemente la Comisión Europea ha publicado un estudio sobre el estado de desarrollo de estos sistemas y sus posibilidades de comercialización como una tecnología disruptiva de generación de energía eólica.
¿Qué actividades estáis desarrollando en la UC3M ?
En estos momentos tenemos activo el proyecto GreenKite financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades. En él hemos desarrollado un paquete de simulación para el estudio de la dinámica y control de los sistemas AWE. También hemos puesto en marcha un banco de ensayos en vuelo para sistemas AWE. Constante de una cometa de tracción equipada con una serie de sensores que nos dan información sobre la posición y velocidad de la cometa, ángulo de ataque y resbalamiento, y tensiones en los cables, entre otras. Cuando combinamos esa información con una serie de herramientas de software desarrolladas específicamente para ese banco de ensayos, podemos obtener información útil sobre las características aerodinámicas de la cometa.
¿Cómo ha sido la evolución de la investigación hasta llegar a estos resultados?
En 2004, durante mi Trabajo Final de Carrera, desarrollé un simulador de vuelo sencillo de una cometa de un hilo en la UPM. En aquel momento, esta línea de investigación era muy marginal y, salvo algunas raras excepciones, no había prácticamente trabajos científicos sobre dinámica y control de estos sistemas. Tras realizar mi tesis doctoral en física de plasmas y amarras espaciales, y disfrutar de un contrato postdoctoral, volví en 2012 a la UPM. Fue entonces cuando descubrí que la generación de energía con sistemas aerotransportados (AWE de sus siglas en inglés) se había desarrollado rápidamente gracias a la creación de varios grupos de investigación y de empresas tanto en Europa como en Estados Unidos. Decido entonces ofrecer un par de Trabajos Fin de Carrera para alumnos de Ingeniería Aeronáutica con el fin de ir explorando mejor las posibilidades de esta línea de investigación. Fruto de aquella actividad en la UPM son un artículo científico publicado en 2006, y otros dos en 2015.
En 2015 decido moverme a la UC3M y allí me propongo desarrollar la línea en sistemas AWE no sólo como actividad docente, es decir tutorizando trabajos fin de grado y máster, sino también captando financiación y desarrollando tesis doctorales. Ese año fue un punto de inflexión para nosotros porque la Fundación BBVA me concede una de sus Becas Leonardo y por primera vez contamos con financiación para la investigación. Empieza entonces la colaboración con Ricardo
Borobia, ingeniero aeronáutico del INTA, desarrollamos herramientas numéricas, y damos los primeros pasos en las actividades experimentales. En 2016 el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, decide financiarnos GreenKite, un proyecto de tres años en el que hemos puesto a punto un paquete de simuladores para sistemas AWE y un banco de ensayos en vuelo para cometas. La línea de investigación ha cogido impulso y somos optimistas para los próximos años porque tenemos ideas para aplicar la investigación no solo a los sistemas AWE sino también a actividades recreativas como el kitesurf
¿Con qué ventajas y desventajas os habéis encontrado a lo largo del estudio?
Las actividades de investigación se han desarrollado en un entorno universitario y eso para nosotros ha sido una ayuda enorme. Además de contar con los servicios propios de la universidad, los cuales son extraordinariamente ágiles y efectivos en la UC3M, hemos contado con la colaboración de nuestros alumnos. En solo 3 años se han desarrollado 8 trabajos fin de grado y máster, y actualmente hay 3 más en curso. Sus ideas, trabajo, y entusiasmo refuerzan notablemente nuestra investigación.
La existencia de este proyecto también ha beneficiado extraordinariamente a los alumnos. Gracias a él, esta línea de investigación se ha dado a conocer en la universidad y los alumnos han podido entrar en contacto con estas nuevas tecnologías.
Entre las dificultades que nos hemos encontrado se encuentran las propias de iniciar algo nuevo desde cero. No es fácil poner en marcha una línea de investigación: hace falta una cantidad notable de tiempo y esfuerzo para construir las herramientas de software y hardware que son necesarias. Una dificultad añadida de los sistemas AWE es que dependemos del viento para poder hacer los ensayos en vuelo. Además, no es fácil controlar la cometa cuando va equipada con todos los sensores y en más de una ocasión, sobre todo en los primeros vuelos, la cometa se ha estrellado. Por ello empezamos con sensores muy baratos y, conforme hemos ido cogiendo seguridad, se fueron instalando instrumentos de mayor calidad.
¿Qué aportará a la sociedad este simulador?
El simulador de vuelo permite analizar la dinámica y el control de una gran variedad de sistemas AWE. Cubre desde los sistemas para los cuales existen demostradores tecnológicos actualmente, como los de generación en tierra y en vuelo de KitePower, Ampyx Power y Makani, a otros más exóticos como por ejemplo una cadena de aeronaves unidas por cables. Las herramientas de simulación son fundamentales en ingeniería ya que permiten entender mejor los sistemas, optimizar su diseño y ahorrar una cantidad enorme de recursos al disminuir la necesidad de desarrollar prototipos.
Los sistemas AWE pueden tener un impacto enorme en la sociedad. La creciente demanda de energía mundial y la necesidad de sustituir a los combustibles fósiles están acelerando el desarrollo de las renovables. Sabemos que existe una gran cantidad de energía eólica en alturas por encima de los 500 metros, pero aún no conocemos cual es la mejor manera de convertirla en energía eléctrica que podamos usar en nuestras casas. La comunidad de AWE aún lo está discutiendo y por eso existen diferentes demostradores tecnológicos basados en diferentes esquemas (generación en tierra o en vuelo). Los simuladores de vuelo pueden ser de gran utilidad para resolver
¿Cómo funciona el simulador?
En un sistema AWE existen variables de control como por ejemplo la longitud del cable y de las líneas de la brida, y las deflexiones de las superficies aerodinámicas (alerones, timos de dirección y profundidad) si las hubiese. Según como sean las leyes de control la aeronave se moverá de una manera u otra. El simulador es una herramienta que permite estudiar cómo deben ser dichas leyes para que la aeronave siga la trayectoria que deseamos, en este caso aquellas que maximizan la generación de energía.
El simulador tiene diferentes modos de operación. En todos ellos el usuario debe introducir las características del sistema AWE que quiere estudiar, tales como las propiedades del cable, la masa de la aeronave, sus características aerodinámicas, etc, En el modo más sencillo, el usuario da la ley de control y el simulador devuelve la trayectoria y otras magnitudes interesantes como por ejemplo la potencia generada. En otros modos más avanzados, el simulador busca las leyes de control que dan lugar a trayectorias periódicas para que la máquina funcione de manera cíclica o incluso aquellas que maximizan la producción de energía.
¿Cómo y quién podrá hacer uso de este sistema?
Existe una versión básica del simulador que se puede descargar libremente de un repositorio para uso en investigación. También tenemos registrada una versión más avanzada, en donde el código se encuentra paralelizado. La UC3M es el titular del software y puede suministrar licencias.
¿Qué apoyos habéis recibido a lo largo de la investigación?
Hemos contado con un proyecto de 1 año (Beca Leonardo de la Fundación BBVA) y otro de 3 años (GreenKite) financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades.
¿Cómo consideráis que se encuentra la investigación en España? ¿Recibe las suficientes ayudas?
Creo que somos el único grupo en España trabajando en sistemas AWE pero esperamos que en el futuro surjan más porque va a haber muy buenas oportunidades sobre todo a nivel europeo. Nosotros hemos recibido la financiación que hemos solicitado y, desde ese punto de vista, nos encontramos apoyados. Sin embargo, es bien sabido, que España no invierte lo suficiente en I+D+I y que estamos muy por detrás de donde deberíamos teniendo en cuenta nuestro PIB, población, tamaño, etc. España debe aumentar urgentemente la inversión en I+D+I porque en caso contrario estaremos dañando la cantidad y calidad del empleo futuro. Por ejemplo, en sistemas AWE países como Holanda y Alemania llevan 12 años invirtiendo y en estos momentos cuentan con un buen número de empresas dedicadas a estas tecnologías que están generando riqueza y empleo de muy alta calidad.
¿Cuál será vuestro siguiente paso en esta área?
Por un lado, nos gustaría entrar en algún consorcio europeo para poder participar en un proyecto grande que nos permita colaborar con nuestros colegas europeos. A nivel nacional, nos gustaría pedir un proyecto al Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades. Su alcance dependerá de los próximos meses ya que estamos en contacto con algunas empresas del sector de la energía que están interesadas. Si conseguimos formar un grupo potente, nos podríamos plantear desarrollar nuestro propio demostrador de tecnología AWE en el marco de un proyecto nacional. En caso contrario, buscaremos un proyecto pequeño pero muy especializado y que nos permita explotar y mejorar los resultados del proyecto actual.