miércoles, diciembre 21, 2011

Tópicos absurdos contra las energías renovables: La necesidad de tierras raras

En los últimos tiempos se ha popularizado, como argumento en contra de la eólica, de la dependencia de las tierras raras por parte de la energía eólica. Algunos ya extienden este uso intensivo de tierras raras, sin saber por qué, a todas las tecnologías renovables. En este artículo veremos que son las tierras raras y donde se usan en renovables y lo falso de este argumento.


¿Qué son las tierras raras? Para explicar esto haré un pequeño C&P extractado de un artículo: “Las tierras raras y sus importantes usos en el mundo de hoy” (1).

“En 1787, un geólogo aficionado llamado Carl Arrhenius estaba de visita en una mina en Ytterby. Él descubrió una  roca negra inusualmente fuerte entre los afloramientos de grises  de la que envió una muestra para su análisis a Johan Gadolin , un químico importante en la Real Academia de Turku en Finlandia.

En 1794, Gadolin llegó a la conclusión de que la muestra era un elemento totalmente nuevo, más tarde llamado itrio. En 1879 los químicos habían aislado a seis elementos adicionales de la misma roca, con lo que el total de la tabla periódica recién inventada por Mendeleyev se elevo a 70 elementos quimicos. Tres de esos elementos, iterbio, el erbio y el terbio, se les dio simplemente variantes adicionales con respecto al nombre del pueblo de Ytterby, mientras que los otros tres fueron nombrados holmio (de Estocolmo), escandio, y tulio (ambos del latín para los países escandinavos), debido a la onda nacionalista de entonces. Después un larga plazo de explotación la cantera Ytterby fue cerrada en 1933. Los elementos descubiertos allí, conocidos colectivamente como tierras raras, forma hoy la columna vertebral de la moderna industria alámbricas e inalámbricas en todo el mundo a pesar de que probablemente nunca han oído hablar de ellos.

El denominarlas tierras raras tenía sentido para la mente del siglo XIX: raro porque al principio parecía que venían sólo de Escandinavia, y lo de tierras, debido a que se produjeron en forma de óxido de tierras por lo cual fue excepcionalmente complejo obtener el metal puro. Hoy está claro que las tierras raras no son infrecuentes.”

Las tierras raras, que como se ve no son raras, son utilizadas hoy ampliamente para la construcción de ciertos tipos de componentes electrónicos entre otras aplicaciones. Por tanto, es evidente, que al hacer las energías renovables uso de equipos electrónicos, hacen uso también de tierras raras, como hacen uso de ellas cualquier tipo de energía o equipo electrónico actual.

Salvo una sola excepción en eólica, que comentamos a continuación, este es el único uso habitual de elementos provenientes de las tierras raras en las energías renovables. Por tanto, llegados a este punto ya podemos descartar de la crítica de dependencia de tierras raras a todas las renovables excepto la eólica. Veremos a continuación que también podremos descartar a la eólica.

El uso de tierras raras en la energía eólica

Uno de los retos que existen en la energía eólica es convertir el giro de unas aspas que se mueven a una velocidad rotacional relativamente lenta para lo que suele ser un generador habitual, en electricidad. Además, obviamente, el aerogenerador debe ser capaz de suministrar esta electricidad a una frecuencia fija, a pesar de que el generador girará a una velocidad variable. En un generador habitual, síncrono, acoplado directamente a la red, la frecuencia es función de la velocidad. Por tanto si la velocidad es fluctuante, la frecuencia también lo sería (aunque en realidad el generador, al estar acoplado a la red no cambia la velocidad, pero genera un incremento de los armónicos y unas terribles tensiones mecánicas).
En la actualidad existen tres tecnologías principales que dominan el mercado de la energía eólica. Pero veamos primero tres elementos claves, sin entrar en detalle, que componen la carlinga (o nacelle) superior de un aerogenerador. Esa caseta que vemos pegada en la parte superior de un aerogenerador y que termina en las características aspas de este.

Un aerogenerador típico con generador síncrono o generador doblemente inducido. Fuente



Las aspas, el hub y el eje: Las aspas son las encargadas de captar la energía mecánica lineal del viento del área de barrido y convertirla en energía mecánica rotacional. Esta energía se recoge en el hub, el punto de unión de las aspas y se transmite desde ahí mediante un eje. La velocidad de giro depende del aerogenerador y su potencia, pero suele estar entre 10 y 30 rpm. Rpm =  revoluciones, o vueltas, por minuto.

La caja multiplicadora: La caja multiplicadora es como una caja de cambios de un coche, pero con una sola marcha fija. Esta caja eleva la velocidad de giro del eje de las aspas hasta una velocidad en operación, entre 750rpm y 1250rpm. En la caja multiplicadora entra un eje que gira a baja velocidad, el que viene de las aspas, y sale un eje que gira a gran velocidad, el que va al generador eléctrico. Hay que decir que este es un elemento crítico y costoso en el aerogenerador, donde se acumulan tensiones mecánicas. Ello hace que sea un elemento que cualquier ingeniero tratará de eliminar si puede. Como siempre la ingeniería es un juego de compromisos y toda opción tiene ventajas y desventajas.

El generador: Es el encargado de convertir la energía mecánica que nos transmite el eje proveniente de la caja multiplicadora  en energía eléctrica. Posteriormente  (normalmente ya en la base de la torre) esta energía es tratada total o parcialmente, dependiendo de la tecnología, mediante equipos de electrónica de potencia para estabilizar la frecuencia inyectada a red en 50Hz. Los generadores tienen dos partes claves. El estator, el bobinado que está fijo. Y el rotor, el bobinado que está pegado al eje y por tanto que rota. No entraremos en más detalles. Hay simplificaciones, en todo el artículo, pero son para hacer más accesibles a gente no técnica estas explicaciones.

Veamos actualmente las tres tecnologías eólicas que se usan y donde se realiza el uso de tierras raras.

Generador síncrono: En esta tecnología tenemos un generador similar al de una central eléctrica convencional. Por el estator se genera toda la energía y el rotor está internamente cortocircuitado y no tiene conexión con el exterior. En una central convencional se controla la velocidad de giro del eje para mantener una frecuencia fija. Pero ya hemos visto que en eólica, debido a la variabilidad del viento, esto no es posible. ¿Cómo lo hacemos en la actualidad? Pues bien, se deja fluctuar libremente la velocidad del generador y por tanto también la frecuencia. Esta energía eléctrica se envía a un convertidor electrónico que realiza, dos funciones: rectificación e inversión. La rectificación nos suministra corriente continua. Es como una fuente de alimentación de un equipo doméstico, p.ej. un ordenador, pero a lo grande. Suelen ser habituales potencias de 2,5MW, con tensiones de salida de 1100V o más en continua. Y la inversión convierte esa corriente continua, de nuevo en alterna pero a una frecuencia estabilizada de 50Hz, la de la red eléctrica. Las ventajas principales de este sistema es que usa tecnología muy habitual y probada y no tiene anillos rozantes (ya veremos que es esto más adelante). La desventaja es que requiere la caja multiplicadora y que requiere una electrónica de potencia con la misma potencia nominal que todo el generador. Es decir, “tratar” el 100% de la energía eléctrica generada. Este tipo de generadores se construyen con acero y cobre y no hacen uso de tierras raras. Representan aproximadamente el 10% del mercado mundial de aerogeneradores en este momento.

Generador doubly-fed o doblemente inducido:
Este sistema es el de más éxito en la actualidad. Representa el 80% del mercado y, quizás os sorprenda, pero tampoco no usa tierras raras. De nuevo solo se usa acero y cobre para su construcción. En este generador aproximadamente 2/3 de la energía se producen en el estator que se conecta a red directamente, sin ninguna electrónica intermedia. La diferencia es que en este caso el rotor está conectado eléctricamente al exterior del generador. Para conectar unas bobinas que giran a velocidades de 1000rpm o superiores eléctricamente, se hace necesario el uso de unos anillos rozantes. De esta manera existen unos anillos unidos al rotor y por tanto que giran a esta velocidad, estando a su vez estos conectados con las bobinas interiores y por otro lado unas escobillas que conectan eléctricamente con los cables que van al exterior y por donde circula aproximadamente 1/3 de la energía generada. Esta energía, en este caso, si debe ser tratada en un convertidor algo más complejo que el del caso anterior, pero por el que circula aproximadamente 1/3 (en ocasiones incluso menos) de la energía generada reduciendo tamaño y coste de la electrónica. La ventaja principal de este sistema es la electrónica reducida. La desventaja principal es el mantenimiento de las escobillas y los anillos rozantes y que en aplicaciones marinas los anillos rozantes, debido al ambiente salino, son muy problemáticos. También hacen uso de caja multiplicadora.

Entonces, ¿de donde sale la dependencia de las tierras raras por parte de la eólica? Sale de nuestro tercer tipo de aerogenerador, el de imanes permanentes, o también llamado directamente acoplado (Direct Drive en inglés).

Generador de imanes permanentes o directamente acoplado: Como hemos visto los principales problemas de las tecnologías anteriores son el uso de cajas multiplicadoras, el de una electrónica de potencia muy grande y el de anillos rozantes. A alguien se le ocurrió como eliminar dos de estos problemas: la caja multiplicadora y los anillos rozantes. Para ello decidió conectar el generador síncrono directamente al eje proveniente de las aspas, sin pasar por caja multiplicadora. Pero esto tiene un problema. Como hemos visto anteriormente este generador requiere una velocidad elevada. Esto es debido a que el número de bobinados internos en el estator suelen ser tres. En un generador, a medida que aumenta el número de bobinados, disminuye la velocidad de operación necesaria. Así que si queríamos eliminar la caja multiplicadora, debíamos multiplicar en mucho el número de bobinados. En el caso de generadores directamente acoplados hasta unos, aproximadamente, 100 bobinados. 
Esto nos crea otra serie de problemas que solo pueden ser solucionados mediante el uso de algo nuevo: los imanes permanentes. Imanes del mismo tipo que los que se usan en altavoces, o auriculares de mp3, en pequeña cantidad. Tantos como uno para cada bobinado. Estos imanes permanentes se construyen con un material llamado neodimio y, ahora si, este neodimio es uno de los materiales que se extraen de las tierras raras. Por tanto el resultado de esta tecnología parece, a pesar del uso de neodimio, muy bueno. Seguimos necesitando un convertidor electrónico por el 100% de la potencia, pero eliminamos la caja multiplicadora y además no necesitamos de anillos rozantes. 
Sin embargo este sistema solo es demandado por el 10% del mercado mundial de eólica, del cual el 9% es de una sola marca: Enercon. Si es un sistema tan bueno, ¿por qué no triunfa? Bien, nos olvidamos de mencionar que este sistema añade algún que otro defectillo. Los generadores se convierten en inmensos. En un aerogenerador convencional se instala y transporta toda la carlinga (caseta) superior totalmente montada y de una pieza, incluyendo el generador, la caja multiplicadora y el hub. En este caso sería imposible transportar por carretera el generador. El mismo generador se debe transportar en dos o cuatro piezas para ser ensamblado en campo, lo cual es extremadamente complejo. Además el peso del generador mismo, fruto de sus grandes dimensiones, también se incrementa en varias veces.

Conclusión

Las tierras raras no son usadas habitualmente ni en renovables, ni en eólica, más allá de lo normal en cualquier equipo que use electrónica, salvo en un caso concreto de aerogenerador que representa una fracción pequeña, el 10%, del mercado eólico. El uso de tierras raras es meramente por motivos comerciales y de patentes de una empresa, pero la misma existencia de la energía eólica no es dependiente de la existencia de estas tierras. Si los precios de estas tierras raras se incrementan mucho el único que tiene un problema es Enercon, el principal fabricante de aerogeneradores con imanes permanentes, pero no la tecnología eólica que puede subsistir perfectamente sin un uso masivo de este material. Por tanto este argumento de la ‘dependencia’ que tienen las renovables o la eólica de las tierras raras cae por su propio peso. Ninguna energía renovable tiene dependencia de las tierras raras, más allá de la dependencia misma de cualquier circuito electrónico a las mismas.

(1) A pesar de ello este artículo atribuye, también, a las energías renovables un uso intensivo de tierras raras.

NOTA 22-12-2012: Algunas personas me han hecho notar que algunos fabricantes, para ciertos modelos concretos, están usando imanes permanentes para generadores doblemente inducidos. Es cierto. Esto se hace para mejorar las características de ciertos generadores doblemente inducidos de gran potencia. No obstante la dependencia real está en los generadores directamente acoplados que necesitan de manera imprescindible estos imanes. En el caso de la tecnología de generador doblemente inducido, se da en casos muy puntuales y los imanes permanentes no son imprescindibles para la construcción de estos. Si existen problemas de suministro y/o precio son fácilmente eliminables, con un rediseño del generador a los parámetros clásicos. Y tal como digo son generadores doblemente inducidos muy especiales y casos muy concretos. No es algo generalizado.
Los imanes permanentes en un generador doblemente inducido eliminan la necesidad de la corriente de magnetización y por tanto aumentan ligeramente la eficiencia del generador, pudiendose por tanto, al generar menos calor este, compactar más y reducir su peso.

6 comentarios:

  1. Que casualidad... precisamente estabamos comentando ese tema en mi blog.

    Un pequeño detalle, no solo utilizan imanes permanentes los aerogeneradores sin multiplicadora. Los modelos mas grandes de gamesa, utilizan generadores sincronos de imanes permanentes, con multiplicadora.

    http://www.gamesacorp.com/es/productos-servicios/aerogeneradores/productos-y-servicios-aerogeneradoresg136-45-.html

    Y los modelos que esta desarrollando de 5 y 7MW tambien tienen esa tecnologia.

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  2. El imán se puede poner en cualquier generador para aumentar la eficiencia, pero son totalmente prescindibles salvo en el tipo que indico. Puede ser que algún fabricante los añada.

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  3. Alb, tampoco he querido profundizar, porque sino triplicamos el espacio, se tecnifica y pierde interés.

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  4. ¡Muy interesante! Un pequeño detalle, armónicos en inglés lleva h, pero en castellano no.

    ¡Saludos!

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  5. Gracias por el artículo. En la universidad nos llevaron a ver un parque eólico, y creo que era del primer tipo, vimos la zona inferior (donde están los armarios con circuitos electrónicos) y nos explicaron el funcionamiento, fue una visita interesante. Los otros dos tipos no los conocía.

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  6. Wiyarmir, tienes razón. En catalán son harmónics. Es una palabra horrorosa. Siempre tengo problemas en recordar en que idioma va con h y en cual va sin.

    ZuperTruko. El doubly-fed, es el sistema, desde el punto de vista de ingeniería, más 'chulo' y limpio. Me encanta este sistema. Lo que haces es 'engañar' al estator que se 'piensa' que siempre, a pesar de variar la velocidad, está en régimen síncrono.

    Cuando estás en régimen subsíncrono, el rotor consume energía inyectandose una frecuencia con una fase determinada en el rotor. La frecuencia es función de la velocidad y la tensión en el rotor es Vr=s*n, donde s es el deslizamiento (slip), es decir un factor entre 0 y 1 que nos indica la diferencia entre la velocidad síncrona y la velocidad real. 1 es con el generador parado y 0 con el generador en régimen síncrono. Y n es la relación de espiras entre rotor y estator (como el n de un transformador entre primario y secundario).

    En régimen hipersíncrono es lo mismo, pero el rotor en lugar de consumir, genera.

    La inyección de la frecuencia debe estar perfectamente alineada con la posición del bobinado en un instante determinado. Para ello usamos un encoder que gira solidario al eje del generador. Este encoder se ajusta con la electrónica de control en el momento de la puesta en marcha del aerogenerador.

    La mayor complejidad del convertidor que conecta el rotor con la red es debida a que debe ser reversible (al contrario que en el caso de generadores síncronos. Es decir, tenemos una matriz de rotor (étapa de potencia) que está conectada por un lado al rotor y por el otro a un bus de continua. Y por otra una matriz de linea conectada por un lado a la red y por otro al bus de continua.

    Cuando estamos en régimen subsíncrono la matriz de línea rectifica y la de rotor invierte (el rotor consume) y cuando estamos en régimen hipersíncrono la matriz de rotor rectifica y la de línea invierte (el rotor genera).

    Sobre este tema del convertidor conozco bastante porque estuve trabajando en ingeniería de convertidores en la empresa que desarrolló esta patente (que solo es válida en USA, en el resto del mundo se considera de dominio público), a pesar que ahora la patente está en manos de GE.

    Aquí hay que agradecer al Bill Ropenecker, Ray Hudson y Mike Behnke (conozco a los dos últimos, trabajaron conmigo) el desarrollo industrial de esta tecnología en la época de Kenetech Windpower.

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