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¿Por qué la estabilidad estructural es clave para la extensión de la vida?

Claves de la extensión de la vida útil de aerogeneradores

¿Por qué la estabilidad estructural es clave para la extensión de la vida?

"Alrededor de 10.000 MW tendrán una antigüedad superior a los 15 años en 2020, y 2.300 MW superarán los 20 años. En 2030, de los casi 23.500 MW actualmente instalados, cerca del 90% tendrá más de 20 años y un 50% se aproximará a los 25 años"

David Torres y Alberto Santos 
Responsables del departamento de Energía Eólica en TÜV SÜD España

Miércoles, 10 Julio, 2019


Cuando los aerogeneradores se acercan al final de su vida útil de diseño, una evaluación de la extensión de vida determina si un aerogenerador es adecuado para una continuación de su operación, Alberto Santos y David Torres, de la unidad de Energía de TÜV SÜD España, describen el proceso y la forma en que los operadores pueden prepararse para ello.

A medida que se llega al final de la vida útil de diseño, aumenta el riesgo de que la operación segura se vea afectada por cualquier daño debido a la fatiga de los materiales, pero esto no deriva necesariamente en el cese de operación y el desmantelamiento del aerogenerador. De hecho, incluso después del tiempo de vida útil establecido por el fabricante (generalmente 20 años), muchas turbinas aún tienen reservas de seguridad que pueden aprovecharse para una extensión de vida.

Según estudios a través de fabricantes de turbinas, operadores de parques eólicos, asesores expertos, representantes de las autoridades oficiales y expertos legales, el factor crítico que determina los requisitos técnicos para la operación continua segura y económicamente viable del aerogenerador, es la estabilidad estructural de la turbina.

Las verificaciones requeridas para verificar esto se centran, principalmente, en los componentes que soportan las cargas, desde las palas hasta la cimentación, así como los sistemas de seguridad, control y frenado.

Para determinar si una turbina está preparada para una extensión de vida, se debe establecer la carga real a la que ha estado expuesta durante su vida operativa, utilizando simulaciones que reflejen las condiciones de diseño después de la prueba tipo, así como las condiciones reales en el emplazamiento. Esta determinación es complementada con inspecciones in situ para conocer las condiciones reales de las turbinas. El informe resultante proporciona información sobre las condiciones bajo las cuales será posible una extensión de vida, como por ejemplo reparaciones o reemplazo de tornillos como medida de precaución, lo que permite una estimación precisa de los costos potenciales involucrados.

Este análisis también es de utilidad para los casos en que la vida útil prolongada sería relativamente corta si no se tomaran medidas adicionales, ya que brinda al operador una visión general de las oportunidades y los riesgos involucrados en la continuación de la operación.

El conocimiento es poder

La evaluación se compone de dos partes: una para inspección física y otra para análisis de datos. La primera parte analiza si la condición técnica general de la turbina permite un funcionamiento continuo, en base a una inspección in situ realizada por un experto. La parte de análisis toma la documentación técnica de la máquina, junto con el recurso eólico, condiciones ambientales y los datos de operación, como base para calcular cuánto tiempo podría seguir funcionando la turbina.

Los operadores de los parques eólicos son responsables de organizar la inspección de manera oportuna y de garantizar que se cumplan las condiciones previas necesarias. Los expertos necesitan toda la información y documentación necesarias como base para sus análisis. Esto incluye los permisos de operación para la turbina, documentos relativos a su construcción y puesta en servicio, todos los datos de operación y rendimiento, informes de mantenimiento, reparación e inspección y los esquemas eléctricos e hidráulicos. Además, se requiere un informe pericial realizado durante los últimos 12 meses sobre el estado actual de las palas.

La experiencia nos muestra que los documentos técnicos a menudo están incompletos, faltan elementos importantes, en particular la documentación de las fases de construcción y puesta en servicio.

El fabricante de la turbina puede poner a disposición planos de diseño, documentos y certificados si se le requiere, con lo que, deberían estar disponibles.

Otra información fundamental para la evaluación de la extensión de vida incluye los datos sobre las condiciones de viento durante la vida útil del aerogenerador hasta la fecha del análisis. Los datos sobre la velocidad promedio del viento, los eventos extremos y las intensidades de turbulencia, provenientes de los datos de operación y el anemómetro en góndola, de los 20 años anteriores deben tenerse en cuenta para calcular con precisión las cargas y las tensiones del período. Si estos datos no están disponibles para el período completo, se utilizan otros conjuntos de datos, como los datos de reanálisis, para realizar una extrapolación a largo plazo.

Para parques eólicos que pueden estar sujetos a un aumento de capacidad aún por especificar, la turbulencia se calcula individualmente para tener en cuenta las condiciones de cada ubicación de turbina.

El proceso de evaluación

Antes de su visita al emplazamiento, los expertos analizan la información y los datos ya disponibles.

Los datos de condiciones climáticas y rendimiento, la documentación técnica y los informes de mantenimiento, reparación e inspección se evalúan para dar una impresión inicial del historial de servicio de la turbina. Después se puede examinar la turbina para detectar deficiencias y defectos específicos, considerando cualquier característica especial para una evaluación adicional.

Este análisis de los datos existentes forma la base para los próximos pasos de la evaluación. Especialistas en las partes prácticas y analíticas de la evaluación trabajan en paralelo y se proporcionan asistencia mutua para, finalmente, emitir una declaración que describa las medidas inmediatamente necesarias para que la operación continúe y que especifique el tiempo restante hasta que se alcancen las cargas soportables de diseño.

Todos los elementos con cargas relevantes y los componentes que contribuyen a la estabilidad estructural de la turbina se examinan durante ambas partes de la evaluación. Esto implica la estructura de soporte (torre y cimentación), elementos de conexión tales como tornillos y pernos; todas las piezas portantes de cargas de la góndola; el eje principal, el conjunto del rotor (palas y buje), y todos los sistemas de frenado y funciones de seguridad de la turbina.

Durante la inspección in situ, los expertos examinan los registros de mantenimiento y comparan la documentación con el estado in situ de la turbina, en busca de corrosión, grietas visibles y cualquier ruido inusual en la multiplicadora u otros conjuntos rotativos. Se presta mucha atención a cualquier problema conocido que pueda ser característico de los mismos tipos de turbinas o similares.

Un aspecto crítico de la evaluación se refiere a la condición de los elementos principales, como las palas, la multiplicadora, torre y cimentación.

En el peor de los casos, el descubrimiento de un daño severo que impacta materialmente en la seguridad estructural dará lugar a una desconexión inmediata de la turbina. A continuación, se debe tomar una decisión acerca de si es financieramente viable reemplazar o reparar los componentes principales defectuosos para permitir la extensión de vida.

Sin embargo, tales defectos mayores son la excepción. Con más frecuencia, las inspecciones descubren pequeños defectos causados por la fatiga del material o la exposición a la intemperie. Los daños tales como corrosión o descamación de recubrimientos protectores, o cables deteriorados, generalmente, se pueden remediar con reparaciones menores.

En el ejemplo de las palas, a menudo presentan pequeñas grietas, erosiones o descamaciones en la capa protectora, que deben repararse para asegurar la condición a largo plazo de la turbina.

Durante la inspección in situ, los expertos también buscan cambios en el entorno de la turbina desde su puesta en servicio. Si se ha expandido el parque eólico o se han construido turbinas en sitios cercanos, por ejemplo, pueden causar cambios en las condiciones del viento que supondrían alteraciones sustanciales en las cargas que actúan sobre la turbina y esto debe tenerse en cuenta en los cálculos de turbulencias.

En la parte analítica de la evaluación, los expertos calculan la fecha de finalización de la vida útil de las partes relevantes de la turbina comparando las cargas y las tensiones reales a las que está expuesto el aerogenerador en comparación con las condiciones de diseño del fabricante para las que originalmente estaba diseñado. Los resultados de la inspección in situ también se incluyen en estos cálculos.

Al usar modelos basados en software que comparan las condiciones reales del viento en el emplazamiento con las condiciones del viento estimadas en el diseño original, combinados con su experiencia, los expertos pueden producir cálculos precisos de las reservas de vida útil de una turbina y estimar de manera confiable el período extendido.

Su evaluación también proporciona indicaciones claras de tiempos de precaución para reemplazo de componentes específicos garantizando una operación extendida segura y fiable.

La experiencia de las evaluaciones de extensión de vida llevadas a cabo por el organismo alemán de certificación e inspección TÜV SÜD muestra que la mayoría de los aerogeneradores pueden seguir funcionando de forma segura durante varios años más después de reparaciones menores.

Por ejemplo, los pernos que unen las palas con el buje son a menudo los primeros en alcanzar sus límites de carga de diseño.

Durante el funcionamiento de la turbina, deben soportar continuamente el momento de flexión cambiante del peso de la pala en cada rotación, que es en gran medida independiente de las condiciones del viento en el emplazamiento.

Reemplazar estos pernos es un procedimiento relativamente sencillo que solo requiere una parada de corto tiempo. Y en lo que respecta al operador, ésta es casi siempre una medida rentable que permitirá una extensión más prolongada de la vida útil de la turbina.

Planificar el futuro

Normalmente, se realiza una evaluación de la extensión de vida en el último año de operación cubierto por el permiso de operación, para garantizar que aborde la condición más actualizada de la turbina.

Sin embargo, puede ser útil hacerlo antes si se considera la venta del parque o si se tiene en cuenta en la planificación presupuestaria a medio plazo.

En estos casos, la evaluación de la extensión de vida se puede realizar sin una inspección in situ. El resultado proporciona una estimación, basada en cálculos, de si es posible la operación continuada y cuándo es probable que se necesiten reemplazar componentes específicos.

Los resultados de este pronóstico preliminar también pueden incorporarse en la evaluación de la extensión de la vida útil real.

La experiencia de TÜV SÜD en el campo muestra que la mayoría de los aerogeneradores aún tienen una vida útil de servicio, incluso después de haber finalizado su vida de diseño. Las condiciones del viento en el sitio pueden implicar cargas más bajas que las que originalmente se consideraron en el diseño.

La estructura soporte de la turbina a menudo no presenta daños significativos, por lo que solo necesita reparaciones menores e inversiones económicas relativamente pequeñas para permitir la extensión de vida.

La evaluación de la extensión de la vida útil también permite a los operadores trazar una imagen realista de los costes de reparación y mantenimiento para la vida útil restante de su turbina y tener esto en cuenta en su estrategia de servicio.

El informe de inspección generalmente también se requiere para la extensión de las pólizas de seguro o para la colaboración con los proveedores de servicios después del final de la vida útil de la turbina. Por tanto, los operadores de turbinas pueden presentar el informe a las autoridades de aprobación como prueba de idoneidad.

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Las cargas supuestas incluidas en el diseño de la turbina por el fabricante se basan en una vida útil definida para la máquina.

Todos los componentes relacionados con el funcionamiento, la seguridad y la construcción de la turbina, además de todas las piezas con cargas, están diseñados, construidos y dimensionados para soportar cargas y tensiones previsibles causadas por el viento, las condiciones climáticas y la operación durante este período.

Por lo general, esto es de 20 o 25 años, siempre que se completen las actividades de mantenimiento especificadas, se realicen inspecciones y pruebas periódicas, y los defectos se reparen de inmediato.

Si este es el caso, los operadores pueden confiar en la estabilidad estructural de su turbina durante el período definido. La vida útil de diseño y el período de extensión de la vida se utilizan para calcular la vida útil total.

Según fuentes de la Asociación Empresarial Eólica, AEE, alrededor de 10.000 MW tendrán una antigüedad superior a los 15 años en 2020, y 2.300 MW superarán los 20 años. En 2030, de los casi 23.500 MW actualmente instalados, cerca del 90% tendrá más de 20 años y un 50% se aproximará a los 25 años.

La repotenciación no siempre será posible, sobre todo teniendo en cuenta restricciones técnicas y administrativas, con lo que, en tales casos, la extensión de vida será una opción particularmente atractiva.

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