Edición 01/2020

La energía renovable es el futuro y es buena para el clima, pero plantea una serie de retos especiales a las centrales eléctricas convencionales. Esto se debe a que no siempre hay sol o viento y además, estos elementos fluctúan en función de las condiciones climáticas, la hora del día y la estación, lo cual da lugar a picos de carga y a un suministro insuficiente. Sin embargo, las plantas de generación de energía actuales no están diseñadas para estas fluctuaciones. Para garantizar la seguridad futura del suministro y la estabilidad del sistema, las centrales eléctricas tienen que funcionar de forma más dinámica y asegurar una rápida puesta en marcha y un comportamiento eficiente en operaciones con carga parcial.

El sistema experimental de suministro de aire (dimensiones totales: 82 x 15 x 9 m) consta de una estación de compresión multietapa, una derivación en cascada para controlar el caudal másico con precisión, una sección central de medición del caudal másico, un sistema de distribución de aire hacia y desde los bancos de ensayo que incluye tuberías, válvulas, silenciadores, refrigeradores, cámaras de estabilización y una estructura de soporte en acero, así como un sofisticado sistema de control para seleccionar diferentes modos, tipos y configuraciones de funcionamiento, y las condiciones de admisión al banco de ensayo.

Los bancos de ensayo trabajan con relaciones de expansión de entre 1 y 6. La presión de admisión oscila entre 1 y 8 bar (abs) con un caudal másico máximo de 25 kg/s (90 000 kg/h). En cualesquiera condiciones, las temperaturas de entrada se pueden controlar entre 60 y 200 ºC. El sistema funciona tanto en modo cíclico abierto como cerrado, está diseñado para operar tanto en modo continuo como de corta duración (± 30 % del caudal volumétrico máximo por minuto) y se puede controlar tanto por presión como por caudal másico. El caudal volumétrico, la temperatura y la presión pueden definirse a voluntad y regularse de forma independiente. Para lograr la flexibilidad y la dinámica deseadas, y sobre todo para satisfacer la necesidad de precisión absoluta, la capacidad técnica de los ingenieros de AERZEN debía ser excelente. Por ejemplo, la desviación del caudal volumétrico es de solo 0,015 m³/s, y ello con un valor máximo efectivo de hasta 80 000 m³/s. Para citar solo un par de ejemplos: la presión estática media se puede establecer con una precisión de 0,5 milibares y la temperatura estática media fluctúa en un máximo de 0,3 K.

El tratamiento termodinámico del aire de prueba se realiza en la estación de compresión (dimensiones totales: 27 x 15 x 9 m). En la primera etapa, la estación utiliza dos soplantes Roots del tipo GM 20.20 conectados en paralelo, con un caudal volumétrico de entrada de entre 9600 y 48 600 m³/h y una presión diferencial máxima de 0,8 bar cada uno (presiones de entrada de entre 0,2 y 3,5 bar, presión máxima de salida: 4,3 bar). La segunda etapa está compuesta por dos compresores de tornillo en paralelo del tipo VRa 736 S, con un caudal volumétrico de entrada de entre 6900 y 21 600 m³/h y una presión diferencial máxima de 10 bar (presiones de entrada de entre 0,2 y 3,5 bar, presión máxima de salida: 9 bar). Las cuatro máquinas están accionadas por motores eléctricos independientes (690 V) provistos de control de velocidad y pueden funcionar a velocidades variables en operación simple o en tándem. «Gracias a su diseño modular, la estación de compresión es sumamente flexible y tiene un rango de control extraordinariamente amplio», aclara el Dr. Hans-Ulrich Fleige, y añade: «Las soplantes de desplazamiento positivo se encargan de las bajas presiones, los compresores de tornillo se ponen en marcha con presiones medias y con una operación en dos etapas de la soplante y el compresor de tornillo se pueden alcanzar presiones elevadas».

AERZEN ha prestado especial atención al aislamiento acústico. Los cuatro compresores tienen dos silenciadores reactivos y las soplantes de desplazamiento positivo están equipadas, además, con dos resonadores de cuarto de lambda. Esto ayuda a reducir en gran medida las pulsaciones y sus efectos. «El amplio rango de control se traduce en un enorme espectro de frecuencia. Controlar el sonido no fue del todo fácil», admite el Dr. Hans-Ulrich Fleige. Para proteger los edificios de investigación cercanos en los que se llevan a cabo pruebas de aceleración y vibración muy sensibles, la base de la máquina se desacopló totalmente de la base de la sala de compresores, entre otras medidas.

Una característica especial del sistema es que estaba totalmente integrado en un edificio ya existente. El reto consistió en gestionar el limitado espacio disponible y la estática — ya fija— del edificio. Por ejemplo, para disipar las fuerzas resultantes se usaron unas 190 toneladas de vigas de acero. Además, casi todos los componentes y piezas del sistema se diseñaron y fabricaron específicamente, desde la sección de medición del caudal másico y el difusor, hasta las cámaras de estabilización ubicadas delante de cada celda de ensayo. También las tuberías, que en conjunto suman tranquilamente 500 metros (de DN 200 a DN 1000), y la mayoría de sus codos son de todo menos estándar. Las complejas simulaciones de flujo y la protección mejorada contra la corrosión mediante galvanización son solo algunos de los puntos que marcan la diferencia en este aspecto.

La fase de construcción, que duró dos años, estuvo precedida por una fase de planificación de varios años a cargo de los ingenieros de AERZEN y Hanover. Debido a las elevadas exigencias con respecto a la estabilidad y la reproducibilidad del aire de prueba, se construyó un modelo a escala completamente funcional de 300 kW de potencia para llevar a cabo pruebas preliminares de la tecnología de medición y control. «Disponemos de muchos años de experiencia en el campo de la tecnología de gases de proceso, pero este proyecto fue un poco particular, y no solo por sus dimensiones y complejidad», comenta Jens-Olaf Wittenberg. «Por primera vez tuvimos la oportunidad de demostrar nuestra capacidad en ingeniería de plantas en el campo de las máquinas para fines especiales, y justo con un proyecto de esta envergadura. Al fin y al cabo, este es el mayor pedido nacional en la historia de nuestra empresa».

Stephan Weil, presidente del gobierno regional de Baja Sajonia, arrancó satisfactoriamente el primer ciclo durante la inauguración del campus, en septiembre de 2019. La entrada en servicio final se producirá en 2020.