Cómo fibra

Yuxin Wu (Cortesía de Yuxin Wu)

En aguas poco profundas, las turbinas eólicas marinas se fijan al fondo del océano. Sin embargo, en áreas de aguas profundas donde los vientos suelen ser más fuertes y tienen la capacidad de obtener más del doble de energía, las turbinas eólicas marinas flotantes deben amarrarse al lecho marino donde el océano es demasiado profundo para estructuras fijas. 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 el costo de desarrollar, implementar y mantener estos sistemas complejos.

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) están desarrollando tecnologías de detección que consisten en cables de fibra óptica, que podrían instalarse en estructuras FOSW que se han planificado frente a la costa de California. Esto permitiría que las estructuras autocontrolen las condiciones dañinas que podrían conducir a reparaciones costosas y también ayudaría a medir cómo FOSW impacta a los mamíferos marinos al detectar su actividad.

En colaboración con expertos en ciencia de materiales, ingeniería, geofísica y desarrolladores de FOSW de todo el mundo, el científico de Berkeley Lab, Yuxin Wu, ahora está trabajando para desarrollar soluciones para reducir el costo del desarrollo e implementación de FOSW, al tiempo que minimiza los posibles impactos ambientales.

P. ¿Cuál es el mayor obstáculo para expandir las tecnologías eólicas marinas flotantes?

Wu: Hasta ahora, ha habido pocas implementaciones de FOSW porque la tecnología se encuentra en las primeras etapas de desarrollo. Actualmente, no se han desplegado tales sistemas en ningún lugar cercano a los 1000 metros de profundidad. Queremos aprovechar la innovación científica mediante el codiseño de materiales estructurales que sean más capaces de soportar entornos marinos hostiles y fenómenos meteorológicos extremos. Y queremos agregar detección de fibra óptica distribuida a los sistemas FOSW para permitir que los sistemas se autocontrolen en tiempo real en busca de problemas potenciales, una capacidad que podría prolongar la vida útil de un sistema y reducir los costos de operación y mantenimiento.

P. ¿Cómo aplica su equipo la detección de fibra óptica a estas innovaciones?

Wu: Un cable de fibra tiene un núcleo de vidrio que le permite enviar una señal óptica a la velocidad de la luz; cuando hay alguna vibración, tensión o cambio en la temperatura del material que se está monitoreando, esa información se transportará en la señal de luz que se dispersa hacia atrás. Cuando se une o se incrusta dentro de la estructura de la turbina eólica, le da un "sistema nervioso" que le permite "oír" y "sentir". La fibra puede monitorear las señales acústicas circundantes, como las llamadas de ballenas, lo que puede ayudar a los científicos a evaluar los impactos potenciales en los grandes mamíferos marinos de las operaciones de FOSW.

Hemos estado probando el despliegue de esta tecnología de detección en componentes estructurales, como torres y turbinas, para monitorear las condiciones físicas y mecánicas experimentadas por la estructura misma, como la temperatura o la tensión. Nuestra investigación hasta el momento se ha centrado en probar la fibra óptica en la torre y la caja de engranajes, algunos de los componentes más costosos en los que es beneficioso identificar el daño antes de que provoque 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 dentro de un sistema FOSW en tiempo real, la detección de fibra óptica nos brinda el conocimiento necesario para desarrollar materiales más resistentes y rentables a nivel del sistema. El diseño de sistemas FOSW a un costo más bajo y para soportar entornos marinos hostiles requiere ciencia de materiales de vanguardia combinada con ciencia informática para producir mejores materiales y simular de manera efectiva cómo funcionan los materiales. Se pueden desarrollar materiales para dar a las estructuras capacidades de autorreparación; por ejemplo, la intrusión de agua de mar en una grieta en el concreto desencadena reacciones para sellar la grieta sin intervenciones.

Nos asociamos con expertos en ciencia de materiales y simulaciones desde la escala molecular hasta la estructural para generar innovaciones que tienen un gran potencial para futuros sistemas flotantes en aguas profundas debido a su gran potencial de ahorro de costos, producibilidad local, mejor rendimiento y sostenibilidad ambiental. Las instalaciones para usuarios del DOE en Berkeley Lab, como Molecular Foundry, Advanced Light Source y National Energy Research Scientific Computing Center, desempeñan un papel clave para facilitar las innovaciones en nuestra investigación.

El diseño de sistemas FOSW a un costo más bajo y para soportar entornos marinos hostiles requiere ciencia de materiales de vanguardia combinada con ciencia informática para producir mejores materiales y simular de manera efectiva cómo funcionan los materiales.

– Yuxin Wu

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 las personas no están cerca para monitorear las operaciones?

Wu: Los gemelos digitales son representaciones de estructuras creadas mediante modelado por computadora avanzado, a menudo junto con datos de monitoreo en tiempo real, que los científicos pueden usar para controlar, simular y monitorear cómo respondería el sistema FOSW a diferentes condiciones climáticas o marinas. Por ejemplo, podemos simular las condiciones de un huracán y ver exactamente cómo funcionaría el sistema bajo este clima extremo, directamente desde nuestras computadoras de escritorio. Con la alimentación de datos en tiempo real en los gemelos digitales, la respuesta del sistema a las condiciones de campo reales "en el agua" se puede monitorear para respaldar la toma de decisiones, por ejemplo, cuándo enviar un equipo para realizar una inspección del sistema. Esto podría reducir significativamente los costos al evitar viajes innecesarios y permitir el mantenimiento proactivo del sistema antes de fallas más grandes y costosas.

El verano pasado, nuestro equipo usó pruebas de mesa vibratoria de una turbina real en el Centro de Investigación de Ingeniería de Terremotos del Pacífico en la Estación de Campo Richmond de UC Berkeley, para probar la capacidad de la detección de fibra óptica para monitorear cómo responderían las turbinas a los movimientos de las olas lejos de la costa. La prueba de sacudidas ayuda a evaluar y optimizar el despliegue de sensores que eventualmente se ubicarán en estructuras en medio del océano y comunicarán datos de manera autónoma a tierra a través de cables de fibra.

P. ¿Qué tan importante es la colaboración para reducir el costo de la energía eólica marina flotante?

Wu: El proyecto de energía eólica marina flotante del DOE tiene un objetivo ambicioso de reducción de costos del 70 % para 2035. Esto requiere un enfoque a nivel de sistema que optimice todos los pasos a lo largo de todo el ciclo de vida de FOSW, desde el diseño de materiales, la construcción estructural, el despliegue, la operación y el mantenimiento. La asociación con instituciones e industrias con diferentes conocimientos nos permite desarrollar de manera eficiente estas tecnologías nuevas y complejas que pueden ayudar a cambiar la economía energética de la nación a una basada en fuentes limpias y renovables.

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Fundado en 1931 con la creencia de que los mayores desafíos científicos se abordan mejor en equipo, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y sus científicos han sido reconocidos con 16 premios Nobel. En la actualidad, los investigadores de Berkeley Lab desarrollan soluciones medioambientales y de energía sostenible, crean nuevos materiales útiles, avanzan en las fronteras de la informática y exploran los misterios de la vida, la materia y el universo. Científicos de todo el mundo confían en las instalaciones del laboratorio para su propia ciencia de descubrimiento. Berkeley Lab es un laboratorio nacional multiprograma, administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

La Oficina de Ciencias del DOE es el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite energy.gov/science.