Un tema clave en la conversación sobre el potencial de la energía eólica marina flotante para alterar los espacios de energía limpia es el impacto de la tecnología en la vida marina. Los investigadores han desarrollado sensores de fibra óptica capaces de monitorear las señales acústicas circundantes, como las llamadas de ballenas. Esto permite a los científicos monitorear cómo las operaciones de FOSW pueden afectar a los grandes mamíferos marinos. Fuente: Jenny Nuss/Berkeley Lab
En aguas poco profundas, las turbinas eólicas marinas están unidas al fondo del océano. Sin embargo, en áreas de aguas profundas, donde los vientos suelen ser más fuertes y pueden generar más del doble de energía, las turbinas eólicas marinas flotantes deben amarrarse al lecho marino donde el océano es demasiado profundo para estructuras permanentes.
La energía eólica marina flotante (FOSW, por sus siglas en inglés) es una de las tecnologías de energía limpia más prometedoras con un mercado potencial valorado en casi $16 mil millones, pero se necesitan soluciones científicas y tecnológicas para ayudar a reducir los costos de desarrollo, implementación y mantenimiento de estos sistemas complejos.
Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) están desarrollando tecnologías de detección que consisten en cables de fibra óptica que se pueden instalar en estructuras FOSW que se han planificado frente a la costa de California. Esto permitiría que las estructuras autocontrolen las condiciones destructivas que podrían conducir a reparaciones costosas y ayudaría a evaluar cómo FOSW afecta a los mamíferos marinos al detectar su actividad.
Trabajando con expertos en ciencia de materiales, ingeniería, geofísica y desarrolladores de FOSW de todo el mundo, el científico de Berkeley Lab, Yuxin Wu, desarrolla soluciones que reducen los costos de desarrollo e implementación de FOSW y minimizan el impacto ambiental potencial.
P. ¿Cuál es el mayor obstáculo para el desarrollo de tecnologías eólicas marinas flotantes?
Wu: Ha habido pocas implementaciones de FOSW hasta ahora, porque la tecnología se encuentra en una etapa temprana de desarrollo. Actualmente, no se han desplegado tales sistemas a una profundidad cercana a los 1.000 metros. Queremos aprovechar la innovación científica mediante el diseño conjunto de materiales de construcción que sean más capaces de resistir las duras condiciones marinas y los fenómenos meteorológicos extremos.
Queremos agregar detección de fibra distribuida a los sistemas FOSW para permitir que los sistemas se autoverifiquen en tiempo real en busca de posibles problemas, lo que puede extender la vida útil del sistema y reducir los costos operativos y de mantenimiento.
P. ¿Cómo aplica su equipo sensores de fibra a estas innovaciones?
Wu: El cable de fibra óptica tiene un núcleo de vidrio que permite que la señal óptica se transmita a la velocidad de la luz; cuando se produzcan vibraciones, tensiones o cambios de temperatura del material monitorizado, esta información se transmitirá en una señal de luz difusa.
Cuando se une o incrusta en la estructura de una turbina eólica, le da un “sistema nervioso” que le permite “oír” y “sentir”. La fibra óptica puede monitorear las señales acústicas circundantes, como las llamadas de ballenas, lo que podría ayudar a los científicos a evaluar el impacto potencial de las operaciones FOSW en los grandes mamíferos marinos.
Probamos la aplicación de esta tecnología de detección a elementos estructurales como torres y turbinas para monitorear las condiciones físicas y mecánicas a las que está sujeta la estructura, como la temperatura o la deformación.
Nuestra investigación hasta ahora se ha centrado en probar la fibra óptica en la torre y la caja de engranajes, algunos de los componentes más costosos donde es beneficioso identificar fallas antes de que provoquen problemas.
P. ¿Qué importancia tiene la ciencia de los materiales para reducir el costo de los sistemas eólicos marinos flotantes?
Wu: Al revelar lo que sucede en el sistema FOSW en tiempo real, la detección de fibra nos brinda el conocimiento que necesitamos para desarrollar materiales más sólidos y rentables a nivel del sistema. El diseño de sistemas FOSW a un costo más bajo y resistente a las duras condiciones marinas requiere ingeniería de materiales de última generación combinada con informática para producir mejores materiales y simular con éxito su rendimiento.
Se pueden desarrollar materiales para dar a las estructuras la capacidad de curarse a sí mismas; por ejemplo, el agua de mar que ingresa a una grieta en el concreto desencadena reacciones para sellar la grieta sin intervención.
Trabajamos con expertos en ciencia de materiales y simulación desde escalas moleculares hasta estructurales para impulsar innovaciones que tienen un gran potencial para futuros sistemas flotantes en aguas profundas debido a su alto potencial de ahorro de costos, producción local, rendimiento mejorado y sostenibilidad ambiental.
Las instalaciones para usuarios del Berkeley Lab de la Oficina de Ciencias del DOE, como Molecular Foundry, Advanced Light Source y National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), desempeñan un papel fundamental para facilitar la innovación en nuestra investigación.
P. Estos sistemas están lejos de la costa, lo que dificulta su acceso para el mantenimiento. ¿Cómo puede la tecnología ayudar a rastrear y predecir su desempeño cuando no hay personas alrededor para monitorear las operaciones?
Wu: Los gemelos digitales son representaciones de estructuras creadas con modelos informáticos avanzados, a menudo combinados con datos de monitoreo en tiempo real, que los científicos pueden usar para controlar, simular y monitorear cómo respondería un sistema FOSW a diferentes condiciones climáticas o marinas.
Por ejemplo, podemos simular condiciones de huracán y ver exactamente cómo funcionaría el sistema en esas condiciones climáticas extremas, directamente desde nuestros escritorios. Al enviar datos en tiempo real a los gemelos digitales, puede monitorear la respuesta del sistema a las condiciones de campo reales “en el agua” para respaldar la toma de decisiones, como cuándo enviar un equipo para inspeccionar el sistema. Esto puede reducir significativamente los costos al evitar viajes innecesarios y permitir el mantenimiento proactivo del sistema contra fallas importantes y costosas.
El verano pasado, nuestro equipo usó pruebas de turbinas de la vida real en una mesa vibratoria en el Centro de Investigación de Ingeniería de Terremotos del Pacífico en la Estación de Campo de Richmond, Universidad de California, Berkeley, para probar la capacidad de los sensores de fibra óptica para monitorear las respuestas de las turbinas a los movimientos de las olas lejos. costa afuera. La prueba de choque ayuda a evaluar y optimizar la ubicación de los sensores, que eventualmente se ubicarán en estructuras en medio del océano y transmitirán datos a tierra de forma autónoma a través de cables de fibra óptica.
P. ¿Qué tan importante es la cooperación para reducir el costo de la energía eólica marina flotante?
Wu: El parque eólico marino flotante del DOE, Earthshot, tiene el ambicioso objetivo de reducir los costos en un 70 % para 2035. Esto requiere un enfoque de sistemas que optimice todas las etapas del ciclo de vida completo de FOSW, desde el diseño de materiales, el diseño estructural, el despliegue, la operación y el mantenimiento. . La cooperación con instituciones e industrias con diferentes conocimientos nos permite desarrollar de manera efectiva estas tecnologías nuevas y complejas que pueden ayudar a cambiar la economía energética nacional a una economía basada en fuentes limpias y renovables.