La energía eólica juega un papel crucial para la transición energética y la consiguiente ampliación de las energías renovables. Para la generación de electricidad mediante el funcionamiento de los aerogeneradores es necesario transmitir enormes fuerzas desde las palas del rotor hasta el generador. Uno de los retos más importantes en este sentido son los altos picos de carga provocados por las cambiantes velocidades del viento, que en el sistema de tracción pueden provocar un desfase dinámico de hasta tres grados entre engranaje y generador. Para evitar las pérdidas de eficiencia y los daños que esto supone y garantizar un funcionamiento de las instalaciones con la mayor fiabilidad y el menor desgaste posibles, se emplean embragues especiales que compensan este desfase. Para los platos de estos embragues, Waelzholz suministra un fleje de acero templado y revenido con martensita de diseño especializado que destaca por unas excelentes propiedades mecánicas y tecnológicas y por la mejor planicidad posible en grandes secciones transversales con un grosor de hasta 4,50 milímetros.
Platos de embrague de fleje de acero templado y revenido con martensita para una transmisión de fuerza fiable en aerogeneradores
La fuerza del viento ya se usaba hace más de dos milenios para moler los cereales o regar los campos con sencillos molinos de madera y tela. En la actualidad, el viento juega un papel esencial en la obtención de energía sostenible a partir de fuentes renovables. La tecnología para generar energía a partir de la fuerza eólica ha evolucionado especialmente desde el cambio de milenio. Las modernas turbinas eólicas son actualmente instalaciones de generación de electricidad grandes y complejas controladas por ordenador y funcionan en muchos países del mundo. China, EE. UU. y Alemania están a la cabeza en cuanto al número de plantas instaladas, seguidos de la India y España.
La potencia energética eólica instalada en todo el mundo se ha incrementado en las últimas dos décadas desde 24 gigavatios hasta los 837 gigavatios registrados (2021). Es cierto que los molinos de viento solo cubren hasta ahora aprox. un 7 % de la demanda energética global, pero los estudios pronostican un posible incremento hasta el 20 % de aquí al año 2030. En el año 2050, la potencia podría situarse incluso por encima de los 3000 gigavatios y cubrir así una tercera parte de la demanda energética global. Por tanto, además de la fotovoltaica, la energía eólica también juega un papel esencial a la hora de evitar las emisiones de carbono en la generación de energía y es un importante elemento y un mercado en crecimiento en el camino hacia un futuro climáticamente neutro.
Materiales de alta tecnología para incrementar la potencia de los aerogeneradores modernos
Para seguir aumentando la proporción de energía eólica en la matriz energética climáticamente neutra, los aerogeneradores modernos hoy deben ser extremadamente potentes, eficientes y fiables. En este sentido, el objetivo de incremento de la potencia energética de una instalación de aprox. entre seis y diez megavatios requiere, entre otras cosas, también un mayor crecimiento del tamaño de las palas de rotor. Incluso los sistemas de tracción de las instalaciones actuales con palas de rotor de aprox. 60 metros de longitud deben transferir pares de giro de hasta 500 000 Newton metro (Nm), una potencia que equivale a la de más de 1500 vehículos de clase media modernos. El ulterior crecimiento de los aerogeneradores también va a tener como consecuencia un incremento en los requisitos que deben cumplir los componentes para la transmisión de la fuerza y la generación de la energía y, por tanto, también serán mayores las exigencias para los materiales de acero utilizados. Precisamente para ello, Waelzholz desarrolla y fabrica actualmente materiales de alta tecnología personalizados: así, en los potentes generadores de las turbinas eólicas no solo se emplea chapa magnética de alta eficiencia sino que, para los platos instalados en el embrague del sistema de tracción, suministramos además fleje de acero templado y revenido con martensita que se destaca por sus propiedades tecnológicas especiales.
Embragues multidisco para una transmisión segura de la fuerza y una protección fiable de los generadores
«Las exigencias especiales del sistema de tracción de un aerogenerador se deben a las cambiantes velocidades y direcciones del viento, por ejemplo en forma de ráfagas que pueden suponer cargas heterogéneas para las palas de rotor. Estas fuerzas provocan que el sistema de tracción pueda estar expuesto a movimientos relativos —es decir, a un desfase dinámico— de hasta tres grados. Por este motivo, el engranaje y el generador están montados sobre amortiguadores elásticos», explica Dennis Domaschk, del departamento de ventas de Waelzholz. Si este desfase de eje llegara al generador a pesar de los amortiguadores, este podría sufrir daños. Por ello, habida cuenta de la gran inversión que supone el mantenimiento o la puesta a punto de aerogeneradores onshore y offshore, se han diseñado potentes embragues de platos de acero capaces de absorber con fiabilidad este movimiento y proteger así al generador.
Klaus Neumeyer de tecnología de materials añade: «El embrague de los aerogeneradores dispone, a cada lado, de cuatro paquetes de platos reunidos formando un rombo. Gracias a las diversas capas del paquete de platos, algunas de ellas con distinto grosor, se consigue una rigidez axial adicional. El rombo formado por los platos de acero está unido en sus esquinas alternativamente con el eje del engranaje y el del generador, así como con el eje del embrague». De esta forma, a cada lado del embrague se genera una suspensión denominada «de doble cardán» que compensa durante el funcionamiento el desfase de eje entre engranaje y generador. En este sentido, el material de acero utilizado para ello debe cumplir los máximos requisitos en cuanto a rigidez y resistencia a la rotura por tracción.
Estructura de una turbina eólica
01 Posición del rotor y eje
02 Caja de transmisión
03 Freno
04 Embrague
05 Refrigeración
06 Armario de distribución
07 Generador
08 Accionamiento de guiñada
Sistema de embrague para aerogeneradores con platos de fleje de acero templado y revenido con martensita
01 Juego de sujeción de la caja de transmisión
02 Disco de freno
03 Platos de embrague de acero martensítico
04 Pieza intermedia del embrague
05 Platos de embrague de acero martensítico
06 Brida del generador
07 Juego de sujeción del eje del generador
La experiencia técnica en procesos es decisiva: máxima ductilidad y resistencia a la rotura con una planicidad óptima del fleje de acero templado y revenido con martensita
Para poder absorber las enormes fuerzas que actúan sobre el embrague de un aerogenerador, el fleje de acero de los platos está diseñado en grosores muy grandes de hasta 4,50 milímetros y con una resistencia de tracción de aprox. 1400 MPa. Al mismo tiempo, el material debe disponer de una alta tenacidad. La combinación de estas propiedades del material se consigue mediante el temple y el revenido con martensita. El técnico de materiales Neumeyer lo explica: «Además de la alta resistencia a la rotura, la ductilidad de nuestro material también resulta ventajosa a la hora de usarlo en aerogeneradores. En efecto, los platos soportan las elevadas cargas también durante los breves picos extremos y despliegan así todo su potencial de tenacidad».
Además de estas propiedades, para la fabricación y el posterior uso de los paquetes de platos también es crucial la planicidad del material. «Gracias a la superficie homogénea de nuestros flejes templados y revenidos, los platos se pueden colocar uno sobre otro con extrema precisión. Esta posición precisa de los platos permite a su vez una transmisión homogénea de la fuerza y un movimiento circular sin vibraciones. Esto también es un factor importante para garantizar una larga durabilidad de la instalación», explica Klaus Neumeyer.
«Para poder implementar la necesaria planicidad del acero hipoeutectoide —es decir, acero de bajo carbono con aleación de cromo y vanadio — incluso con secciones transversales grandes con un grosor por encima de los 4 mm, se requiere una experiencia técnica en procesos muy especial», subraya Victor Blinov, director del control de calidad de la planta de templado y revenido. Con las opciones de fabricación tradicionales, la producción de flejes de acero templado y revenido con una sección transversal tan grande es muy difícil de llevar a cabo. En este sentido, Waelzholz puede recurrir a su excepcional capacidad en cuanto a procesos. Blinov añade: «La particularidad radica en el control exacto de la temperatura en la fase de enfriamiento del proceso de temple y revenido de nuestro horno continuo, que es el más potente del mundo en su clase. En combinación con nuestra tecnología de laminado de alta precisión, podemos laminar esta dimensión y aplicar el temple y el revenido de forma plana sin tensiones internas».
El ajuste exacto y la combinación de todas estas propiedades complejas —resistencia a la roturapor tracción, ductilidad y planicidad— convierten al fleje de acero templado y revenido con martensita de Waelzholz en el material ideal para los platos de embrague de los aerogeneradores.
Solución sostenible: ventajas económicas en el proceso de fabricación y máxima eficiencia en la obtención de energía regenerativa
Los materiales de Waelzholz se conciben siempre pensando en unas propiedades de procesamiento óptimas y ofrecen así ventajas económicas de cara a los procesos de fabricación de los clientes. «Con el fleje de acero templado y revenido con martensita que suministramos, nuestros clientes pueden suprimir por ejemplo el temple de piezas, que supone una gran inversión en tiempo y costes. Así, con nuestro material también se puede evitar un posible retraso en el endurecimiento de cada una de las piezas debido al temple de piezas, habida cuenta de los elevados requisitos en cuanto a planicidad», añade Dennis Domaschk, del departamento de ventas.
«Nuestra capacidad fundamental consiste en resolver las tareas complejas de nuestros clientes», explica Neumeyer. «Así, hemos adaptado óptimamente también este material de alto rendimiento a los requisitos específicos del sector de la energía eólica».
Con conceptos de material sostenibles como éste, damos un nuevo paso hacia el objetivo que nos hemos fijado nosotros mismos: utilizar nuestra experiencia en materiales y nuestro know-how sobre procesos para acompañar la transición energética con soluciones de material innovadoras para futuras aplicaciones.
