CL-Windcon (Closed Loop Wind Farm Control, por sus siglas en inglés) es un proyecto europeo que plantea desarrollar grandes parques y turbinas eólicas de manera global, al mismo tiempo que se mejora la eficiencia y se reduce el coste de la energía. Su principal reto es llevar a cabo el control avanzado para un parque eólico de una forma integrada, mejorando simultáneamente la eficiencia y la fiabilidad y reduciendo por tanto el coste de la energía.
Financiado por el Programa Marco de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (acuerdo nº 727477) con más de 4 millones de euros y con una duración de 36 meses, cuenta con la participación de 14 socios de seis países europeos (Alemania, Italia, Países Bajos, Dinamarca, Reino Unido y España), cuya coordinación corre a cargo del Departamento de Energía Eólica del Centro Nacional de Energías Renovables de España (CENER).
Este proyecto, que previsiblemente finalizará en octubre de 2019, podría conseguir una reducción del coste global normalizado (LCOE) de la energía eólica del 10%, además de aumentar la producción a nivel de parque entre un 4-5%, disminuir los costes de operación un 4%, extender la vida útil de la maquina un 1%, y reducir el coste de los materiales de los componentes (debido a menores cargas) entre un 3 y un 4%. Además, se realizará un análisis global del impacto económico y ambiental de estas mejoras técnicas como resultado del proyecto.
Modelado avanzado y generación de algoritmos de control
Otro de los desafíos de CL-WINDON consiste en conseguir que las nuevas soluciones puedan aplicarse tanto en parques ya existentes como en los nuevos. Para ello, abordará el modelado avanzado así como la generación de algoritmos de control en lazo abierto y en lazo cerrado a nivel de parque, considerando el parque como una entidad completa y llevando a cabo una optimización de la producción energética en tiempo real.
CL-WINDCON mejorará la comprensión y el modelado de flujos dinámicos dentro del parque eólico y cómo las turbinas eólicas modifican dicho flujo generando estelas, y que están afectados por un flujo perturbado. El conocimiento y las herramientas desarrolladas se utilizarán para diseñar y evaluar virtualmente un esfuerzo computacional razonable, avanzado y abierto así como conceptos de control en bucle cerrado para una optimización del parque eólico.
La validación de los modelos y los algoritmos de control serán realizados por simulaciones detalladas completas, evaluaciones de túneles eólicos y evaluaciones de campo en un parque eólico real. Las herramientas para el modelado dinámico del parque eólico serán suministradas por una fuente abierta al final del proyecto.
El proyecto también realizará una evaluación profunda de la viabilidad en una turbina eólica y en un parque eólico a nivel de operación desde diferentes perspectivas: tecnológica, de operación y mantenimiento, de fiabilidad, económica, medioambiental y de estándares.
Control de aerogeneradores
En la actualidad, cada aerogenerador funciona con su propio controlador, optimizando el comportamiento de la máquina en términos de captura de energía y de cargas. Esto significa que los aerogeneradores operan según su propia información, como si fueran un sistema aislado del resto de aerogeneradores del parque en el que se encuentran.
Esto hace que el parque eólico no opere de una forma óptima, ya que las turbinas eólicas no están controladas como actores de un sistema global. En particular, para parques eólicos terrestres y marítimos a gran escala, existe un gran potencial con respecto a la optimización operacional general que se podría aprovecharse haciendo uso de todos los datos disponibles en el parque así como a nivel de interacciones entre las turbinas.
El mayor obstáculo para la optimización efectiva y en tiempo real del parque es la falta de herramientas y de modelos para desarrollar y evaluar virtualmente conceptos de control avanzados considerando la dinámica de flujo en todo el parque eólico y las interacciones entre turbinas y los campos de flujo. Este tipo de herramientas y modelos necesitan encontrar el equilibrio correcto entre fidelidad, simplicidad y capacidad en tiempo real.
Para lograr su objetivo, CL-Windcon abordará el modelado avanzado así como la generación de algoritmos de control en lazo abierto y en lazo cerrado a nivel de parque, considerando el parque como una entidad completa y llevando a cabo una optimización de la producción energética en tiempo real.
Se trata de aportar al sector eólico nuevas soluciones innovadoras que estén basadas en el control avanzado de parque, que consideren el parque de manera general y como un único problema. Para ello, será necesario desarrollar módulos dinámicos, que simulen su funcionamiento con un coste computacional razonable.
Plan de trabajo y simulaciones
El Proyecto CL-Windcon está organizado en torno a cuatro núcleos técnicos y tres paquetes de trabajo de apoyo: desarrollo de modelos orientados al control de parques eólicos, tecnologías y algoritmos de control de flujos del parque eólico, demostración y validación de prototipos, viabilidad, explotación, diseminación y comunicación de resultados, organización y requisitos éticos.
Iniciado en noviembre de 2016 tras una primera reunión en CENER, el proyecto se encuentra actualmente en su fase de desarrollo de modelos, de tecnologías y algoritmos y de demostración y validación de prototipos.
El desarrollo de un modelo necesita incluir un proceso de validación para determinar su precisión para su propósito previsto. Igualmente, cualquier diseño de control requiere la demostración de su rendimiento. En el proyecto, estos procesos serán realizados por un creciente nivel de complejidad práctica, desde la simulación en un túnel de viento a una evaluación a escala completa, utilizando parques eólicos experimentales. Los datos recogidos durante los experimentos serán de acceso público al final del proyecto, convirtiéndose en una contribución útil para el modelo futuro de validaciones e investigación.
Para la simulación computacional, el desarrollo de métodos de control será comprobado utilizando la alta fidelidad de los modelos de simulación de parques eólicos que serán implementados o adaptados a las necesidades de control. En un primer paso, el control de la funcionalidad a nivel de la turbina éolica será verificada. Además, la integración de los controladores de la turbina también serán probados.
Durante el tercer año del proyecto las pruebas escaladas se llevarán a cabo en el túnel de viento de la capa límite POLIMI. Se realizarán dos tipos de test. Durante el segundo y tercer año del proyecto, se realizarán experimentos de estela a gran escala en un parque eólico de Enel Green Power en Sedini (Italia) con configuraciones de varias turbinas eólicas.
Objetivos e impactos esperados
Desde el punto de vista tecnológico, este proyecto busca el desarrollo de nuevos algoritmos que tratan a toda la planta eólica como un problema de optimización de controles holísticos, optimizar la captura de energía para activos individuales con los controles de la turbina eólica centralizada y desarrollar una mejor comprensión del recurso de flujo eólico y su dinámica entre turbinas eólicas.
Las nuevas metodologías de control aplicadas a los nuevos y existentes parques eólicos derivarán en la reducción de riesgos tecnológicos y el incremento significativo de rendimiento tecnológico mediante la mitigación de la carga, la mejora de tolerancia a los fallos y la captura energética. Todo ello contribuirá al desarrollo y fortalecimiento de la tecnología eólica europea y a la capacidad industrial de los operadores de parques eólicos.
En cuanto al impacto económico, CL-Windcon dará como resultado una creciente fiabilidad y ciclo de vida mientras se reducen los costes de operación y mantenimiento. Este resultado representará una oportunidad real para potenciar los mercados de tecnología eólica e impulsará las instalaciones marinas (offshore) y terrestres (onshore) llevándolas a una posición competitiva con respecto a otras fuentes de generación energética.