El sector eólico ha sido durante los últimos 20 años, y sigue siendo, uno de los más dinámicos en desarrollo tecnológico e innovación. La velocidad de incorporar nuevos desarrollos y la manera tan intensiva de asimilar conocimiento y aplicarlo con éxito, han sido probablemente los principales factores que han conseguido que la eólica haya logrado en tan poco tiempo ser tan competitiva como cualquier otra fuente energética, en emplazamientos adecuados.
Uno de los elementos clave en este proceso es la capacidad de analizar el impacto que cada innovación tendrá en el coste de la energía generada por el aerogenerador en funcionamiento en un futuro parque eólico. Durante las fases de diseño de un aerogenerador y de sus componentes, así como durante la ingeniería de un parque eólico, surgen distintas opciones tecnológicas para mejorar su rendimiento y, por tanto, la rentabilidad de la inversión final. Muchas veces en la toma de decisiones sobre cuáles son las mejores opciones no se mide con rigurosidad el impacto que cada una tendrá sobre el coste final de la energía generada (tomando en consideración toda la vida del parque eólico, desde la fase de desarrollo del parque hasta su desmantelamiento (Levelized Cost of Energy o LCOE)). En general, los fabricantes de aerogeneradores lo hacen con las herramientas que ellos han desarrollado, pero los fabricantes de componentes y de subsistemas, o los responsables de operaciones de construcción, instalación y mantenimiento, no disponen de herramientas robustas y probadas para ello.
KIC InnoEnergy, empresa creada en el 2010 con el apoyo del Instituto Europeo de Innovación y Tecnología (EIT) y dedicada al desarrollo de la educación, emprendimiento e innovación en el sector de la energía sostenible en Europa, en colaboración con la consultora británica BVG Associates, acaba de publicar dos informes, uno sobre energía eólica terrestre y el otro sobre eólica marina, en el que se identifican 70 innovaciones que se estima que se desarrollarán en los próximos 12 años (2025) y donde se analiza el impacto de cada una de ellas en el LCOE, teniendo en cuenta su ritmo de incorporación al mercado.
Herramienta de libre acceso
Pero lo más relevante es que Delphos, la herramienta desarrollada para llevar a cabo este análisis, se publicará en el website de KIC InnoEnergy y será de libre acceso. Ésta permite analizar el impacto sobre el LCOE de cualquier innovación tecnológica, de proceso constructivo o de mantenimiento en aerogeneradores y en parques eólicos terrestres y marinos.
Con ella se podrá ver el impacto de esas 70 innovaciones tecnológicas y de cualquier otra que el usuario esté desarrollando y de la que quiera analizar o comparar su impacto en el coste final de la energía, para, con ello, poder tomar decisiones sobre su desarrollo e incluso para poder explicar a su cliente los beneficios que le reportaría el mismo.
La metodología seguida ha contado con tres acciones que se detallan a continuación:
1. A partir de las referencias reconocidas en la industria y del estado actual del sector, se han definido una serie de plantas tipo para las cuales se han determinado los costes de inversión (CAPEX), de operación (OPEX) así como la energía producida bruta y las pérdidas. Se establecieron cuatro plantas de referencia en offshore, de 500 MW, variando la distancia a la costa (40 y 125 km), la profundidad (25 y 35 m) y el tamaño del aerogenerador utilizado (4 y 8 MW) mientras que en onshore, el estudio abarcó a dos plantas tipo de 50 MW correspondiente a sitio de vientos altos (clase I) y de vientos débiles (clase III), ambos para aerogeneradores de última generación de 3 MW.
2. A través de una amplia consulta a un panel de expertos, se definieron las innovaciones más relevantes que impactarán estas tecnologías a nivel comercial en los próximos 12 años. Para cada innovación, se define su impacto potencial en el CAPEX, OPEX, la energía producida bruta y las pérdidas. Se calcula entonces el impacto en el LCOE de las diferentes plantas tipo para el horizonte 2025 (año de la decisión de inversión). Para este cálculo, también se tienen en cuenta la relevancia de la tecnología para cada una de las plantas tipo, su madurez comercial y su cuota de mercado estimada en el año considerado.
3. Finalmente, también es importante notar que en el cálculo del LCOE, y para garantizar la credibilidad del trabajo, se incluyen otros efectos que se definen para cada planta tipo y cada año estudiado: WACC (Weighted Average Cost of Capital) incluyendo una evaluación de riesgo, costes de transmisión y alquileres de terrenos, efectos de un desarrollo mayor o menor de la cadena de suministro, seguros y contingencias, riesgos de promoción (costes de proyectos cancelados) y costes de desmantelamiento y reciclaje de los equipos del parque.
Es importante resaltar que se realiza una distinción con las innovaciones que impactan en la cadena de producción, ya que éstas no se contemplan. Por otra parte, y para mantener la coherencia con las tendencias de las curvas de aprendizaje históricas, se ha moderado el impacto de algunas de las innovaciones estudiadas.
Eólica terrestre
Para la eólica en tierra, el estudio demuestra que para ambos escenarios estudiados, clase I y clase III, de las casi 25 innovaciones estudiadas y modeladas, se puede esperar una reducción del LCOE de un 5,5% hasta el año 2025.
El grupo de innovaciones que presenta el mayor impacto es el que afecta al rotor de los aerogeneradores. La optimización del tamaño del rotor y el uso de materiales avanzados permitirá el incremento de longitud de las palas con una moderación en el incremento del peso de la misma, reduciendo la deflexión de punta de pala y controlando las cargas en el resto de la máquina. Las innovaciones que afectan al diseño y la fabricación, la aerodinámica y el sistema pitch permitirán indirectamente optimizar la cimentación y la torre, por menores cargas, y reducir por lo tanto sus costes asociados, aumentando a su vez la energía producida. En conjunto, se espera un impacto de un 2–3% de estas innovaciones sobre el LCOE.
Las innovaciones en los sistemas alojados en la nacelle del aerogenerador constituye el segundo bloque, con una contribución en la reducción del LCOE del 1 al 1,5%. Las innovaciones afectan principalmente al tren de potencia, desde la optimización de los diseños existentes (direct drive y high speed) como de los diseños más novedosos (mid speed) y la transformación eléctrica (generadores, convertidores y transformadores).
El potencial de las mejoras en productos y servicios ligados a la operación y el mantenimiento ofrecen un interesante potencial de reducción de hasta un 1% del LCOE. Aparte de la introducción de productos concretos como herramientas de Condition Monitoring u optimización de los modelos de predicción, existe una serie de innovaciones que tienen más que ver con un cambio de estrategia a la hora de operar los parques eólicos: por ejemplo nuevas estrategias de control, mantenimiento basado en la condición o gestión dinámica de stock de repuestos. Para este grupo de innovaciones, el impacto modelado es inferior al impacto potencial total que podría llegar a tener, y el reto consiste en encontrar el equilibrio entre el riesgo que pueden llegar a suponer cambios de estrategia en la fase de operación y los beneficios económicos subyacentes.
En cuanto a la fase de promoción de parques eólicos, las innovaciones en medición y modelización de recurso y la optimización del layout del parque podrán contribuir a una reducción del LCOE en el rango 0,5–1% en el periodo estudiado.
El impacto del desarrollo tecnológico en el Balance of Plant será limitado al uso de torres más altas, preferiblemente en lugares con vientos débiles sin restricciones desde el punto de vista de interferencias con otras actividades (tráfico aéreo, radares, etc…). El reto es encontrar soluciones innovadoras que permitan este aumento de tamaño al mínimo coste. Teniendo en cuenta la difícil aceptación que esta solución podría tener en el mercado (principalmente por problemas de restricciones en alturas), se espera que su impacto en el LCOE no supere los 0,5 %.
El impacto de las innovaciones que afectan a la fase de construcción de los parques eólicos en tierra es relativamente bajo al ser un proceso muy estandarizado con pocas mejoras a incorporar. Las innovaciones modeladas consisten en el uso de vehículos especializados y la introducción de palas segmentadas responsables de reducciones mínimas de LCOE. Sin embargo, estas innovaciones pueden permitir la construcción de parques eólicos en sitios hasta ahora inviables desde el punto de vista logístico y con recurso de mejor calidad que los otros emplazamientos disponibles. Las reducciones de LCOE vendrían entonces de un posible efecto cartera a una escala nacional o europea.
Eólica marina
El caso de la eólica marina es sensiblemente diferente ya que, como se ha mencionado anteriormente, se trata de una tecnología mucho más joven. Las más de 45 innovaciones identificadas y estudiadas podrían suponer una reducción de hasta un 27% en el LCOE de los parques eólicos marinos en los próximos 12 años. Con un impacto cercano al 10% sobre el LCOE, el incremento de la potencia unitaria de los aerogeneradores es, con gran diferencia, el elemento más relevante aunque no es una innovación en sí. En todo caso, lleva asociado una serie de desarrollos tecnológicos que impactan en todas las fases de desarrollo del parque eólico y que se abordan a continuación.
Las innovaciones en rotor, básicamente ligadas a la optimización de diseño, la fabricación y el control aerodinámico, vuelven a tener una importancia clave en la reducción global del LCOE con una contribución cercana al 5%.
Están seguidas por las innovaciones en la nacelle donde aparecen conceptos innovadores como la introducción de generadores superconductores o de sistemas de transmisión de relación continua variable, así como de sistemas de generación de corriente continua. Estas innovaciones, junto con las mejoras en los diseños más comunes en la actualidad (high speed drive trains, direct drive, etc…), permitirían reducir el LCOE hasta un 4% en el horizonte 2025.
Al contrario de la eólica en tierra, el impacto de las innovaciones en el Balance of Plant son de una importancia fundamental en eólica marina. La implementación de la fabricación en serie de las estructuras tipo jacket, la estandarización de las cimentaciones, las mejoras en el diseño integral de las torres y la introducción de cableado operando a tensiones más elevadas pueden tener un impacto de hasta un 4% en el LCOE.
Estas innovaciones no incluyen el uso de cimentaciones de gravedad en hormigón, ventajosas en un escenario de precios del acero volátiles, y permitiendo estrategias de instalación float-out-&-sink. Su potencial es relevante pero probablemente para parques marinos en un futuro más lejano. A más corto plazo, los beneficios vendrán de la introducción de barcos de instalación con posibilidad de operación en un mayor rango de condiciones marinas, y la optimización logística con el desarrollo y la utilización de una flota de barcos especializados para las diferentes fases de montaje y transporte. Junto con la participación cada vez mayor de las empresas del sector del petróleo y el gas que aportan su experiencia, se anticipa que la reducción de LCOE posible gracias a las mejoras en la fase de construcción puede alcanzar los 3%.
Respecto a la operación y mantenimiento, las tres principales innovaciones son: la implantación de estrategias de mantenimiento integrales basadas en la condición, permitiendo reducir la frecuencia de los grandes recambios; la mejora de los sistemas de acceso para el personal técnico y la optimización del control del parque eólico. El impacto de cada una de estas innovaciones aumenta a medida que las instalaciones se alejan de la costa, implicando mayores tiempos de transporte y condiciones de trabajo más adversas. En definitiva, en los próximos 12 años, el impacto de estas innovaciones en el LCOE podría llegar a alcanzar una reducción del 3 %.
Finalmente y para tratar de la fase de promoción, la mejora de las técnicas de caracterización de los emplazamientos, tanto a nivel del estudio del recurso como de los estudios geotécnicos, así como una mayor inversión inicial en ingeniería básica pueden reducir el LCOE hasta en un 2%.
En conjunto, el impacto en el CAPEX de un parque eólico marino alcanzaría casi un 15%, y un 40% en el OPEX para un incremento de producción cercano al 8%. Se espera que estos efectos sean máximos en los emplazamientos más lejanos a la costa ya que tanto por la distancia a la costa como por el uso de aerogeneradores de mayor tamaño unitario, este tipo de instalaciones requerirá los mayores cambios respecto del estado del arte de la tecnología y del desarrollo de proyecto actual, por lo tanto, incorporar la mayoría de las innovaciones aquí descritas.
Otras innovaciones
Obviamente, tanto para la eólica en tierra como para la eólica marina, hay una serie de innovaciones no consideradas en este estudio ya que su impacto esperado se estima todavía irrelevante para parques eólicos cuya decisión de inversión se decida en el año 2025. Se puede citar por ejemplo nuevos conceptos de aerogeneradores basados en diseños bipala o de eje vertical, o cimentaciones y subestructuras flotantes. A nivel de parque, un ejemplo sería implementar sistemas de control centralizado moviendo la complejidad tecnológica desde los aerogeneradores a la subestación, así como los avances en transmisión en HVDC. El potencial de estas innovaciones, junto con las perspectivas de conseguir mejores objetivos que los mencionados para las innovaciones modeladas, demuestra la existencia de oportunidades para horizontes temporales más lejanos todavía y la posibilidad de seguir reduciendo los costes de la tecnología eólica gracias a la innovación tecnológica más allá del 2030.
La industria eólica europea ha venido liderando el desarrollo tecnológico del sector en los últimos 30 años. Las 70 innovaciones evaluadas en estos estudios, teniendo en cuenta su potencial total, incrementan la posibilidad de realizar el objetivo planteado. Para tener una visión completa, es importante tener en cuenta la evolución de la tecnología en el marco global y considerar los efectos no ligados al desarrollo tecnológico (WACC, seguros, etc…), su evolución en el futuro y cómo impactarán en el LCOE a largo plazo.
Para KIC InnoEnergy, el camino de la innovación tecnológica está claramente indicado y sus herramientas a disposición del sector eólico europeo, para consolidar su posicionamiento como referente mundial en tecnología así como la competitividad global de la energía eólica en el escenario energético mundial.
