A medida que países como Estados Unidos anuncian políticas y metas centradas en aumentar la capacidad de energía renovable, existen oportunidades para tecnologías de energía renovable nuevas y mejoradas. Xenecore, una empresa con sede en la ciudad de Nueva York que desarrolla palas de turbinas eólicas más eficientes con mayores capacidades de captura de energía, utiliza su experiencia en piezas compuestas para diseñar y desarrollar palas eólicas en forma de abanico basadas en la resistencia.
Xenecore fue fundada en 2010 por Jerry Choe, CEO y fundador de la empresa, mediante el uso de tecnología de materiales en aplicaciones de artículos deportivos para desarrollar raquetas de tenis compuestas de fibra de carbono, y formó una serie de patentes. Para lograr una raqueta de tenis de fibra de carbono con alto rendimiento y potencia al golpear la pelota, y para minimizar el impacto de la raqueta en el brazo, después de un período de desarrollo de 18-meses, él y su equipo desarrollaron un material y solución de proceso, que ahora se comercializa con el nombre comercial Xenecore, un producto de microesferas termoplásticas que se puede utilizar como núcleo estructural para piezas compuestas.
Tras estos éxitos iniciales, la empresa invirtió mucho en la optimización adicional de la tecnología de microesferas termoplásticas y obtuvo más de 250 patentes en todo el mundo. La empresa descubrió que el uso de los productos Xenecore podría extenderse más allá de las raquetas de tenis a nuevas oportunidades para otras aplicaciones, como palas de drones y, más recientemente, palas de turbinas eólicas basadas en resistencia.
Hace aproximadamente dos años, Choe y el equipo de Xenecore comenzaron a investigar cómo la tecnología de procesos y los productos de la empresa podrían usarse para desarrollar palas de turbinas eólicas. Hoy en día, la mayoría de las turbinas eólicas tienen palas delgadas en forma de avión que generan electricidad principalmente a partir de la sustentación. A medida que el viento pasa a través de las palas, la presión más baja formada en un lado de las palas tira de las palas perpendicularmente a la dirección del viento, lo que hace que giren los rotores, transfiriendo energía a la turbina para generar electricidad.
Estas palas suelen estar hechas de piel de fibra de vidrio y, en las palas más largas, están soportadas por una tapa SPAR de ala compuesta de fibra de carbono. Las aspas eólicas generalmente se colocan en un molde abierto, se inyectan al vacío y luego se ensamblan usando una red de corte, un núcleo de espuma y adhesivo.
Los primeros molinos de viento, sin embargo, se veían muy diferentes, con aspas de madera anchas, planas y en forma de abanico que generaban electricidad a través de la resistencia, y el viento se usaba directamente para empujar las aspas en la dirección del viento. Cuando se inventaron las turbinas eólicas por primera vez, todo el mundo usaba la resistencia porque capturaba más viento. Pero estas primeras aspas supusieron un problema debido a los materiales utilizados, ya que los primeros molinos de viento se construyeron con materiales blandos y menos duraderos, como la tela.
En 1919, el físico alemán Albert Bates publicó su ahora famosa Ley de Bates sobre la captura del viento y el diseño de palas. De acuerdo con esta ley, la pala solo puede capturar un máximo del 59 por ciento de la energía eólica usando sustentación. Esta teoría influyó en la forma de las alas de los aviones y las palas de las turbinas eólicas para maximizar la sustentación y minimizar la resistencia, utilizando diseños delgados y curvos que aún son populares en la actualidad.
Según Choe, la tasa de captura de energía del 59 por ciento es un máximo teórico porque las turbinas eólicas reales capturan energía de manera mucho menos eficiente, pero no es el máximo para los materiales actuales. Debido a que los compuestos de fibra de vidrio y fibra de carbono que se usan hoy en día son más resistentes y livianos, funcionan mucho mejor que los materiales metálicos que se usaban para fabricar palas y alas en la época de Bates. Por lo tanto, dado que se han optimizado las propiedades de los materiales existentes, el mejor diseño ahora puede ser ineficiente y ya no cumplir con los requisitos.
Vale la pena señalar que hay una serie de diseños de palas eólicas basadas en la resistencia que han estado en uso durante mucho tiempo, como la turbina eólica vertical tipo Savonius, que presenta dos palas en forma de copa que giran alrededor de una turbina central. Estas turbinas son generalmente mucho menos eficientes que las turbinas basadas en sustentación porque, en una configuración vertical, las dos palas bloquean parte del viento que la otra mitad de la pala puede capturar. Sin embargo, su diseño simple y su capacidad para capturar energía en áreas con poco viento los hacen populares para turbinas en entornos domésticos o comerciales.
Choe y su equipo se propusieron desarrollar una turbina eólica horizontal más nueva que maximiza la resistencia y, lo que es más importante, utiliza materiales compuestos avanzados.
Uno de los primeros desafíos que enfrentó el equipo de Xenecore fue que, dado que las turbinas basadas en sustentación se han convertido en el estándar, el software de simulación actual solo se usa para analizar el rendimiento de las turbinas basadas en sustentación. Choe y su equipo probaron una serie de herramientas analíticas y finalmente utilizaron el software de dinámica de fluidos computacional Ansys Fluent para modelar el comportamiento del viento en la pala.
Usando estos modelos, el objetivo es desarrollar una pala que pueda capturar la máxima resistencia, generar electricidad dentro de la turbina y, al mismo tiempo, soportar altas cargas de viento con el menor peso posible. El equipo de Xenecore primero intentó hacer una hoja compuesta de fibra de carbono sólida, pero la resistencia no era buena, incluso las placas de fibra de carbono sólidas pueden romperse con vientos fuertes.
Finalmente, Xenecore diseñó una sola hoja en forma de abanico, llamada Fanturbine, que consiste en una capa superior e inferior cubierta con microesferas termoplásticas de Xenecore. Estas pieles están reforzadas con nervaduras llamadas vigas en I. El diseño es biónico porque las nervaduras se abren en abanico desde un punto central, como las hojas de una hoja de palma.
Las palas se fabrican en un proceso de moldeo por compresión de un solo paso utilizando fibra de carbono de alto módulo y resinas epoxi para maximizar la resistencia y la estabilidad, y para resistir las altas cargas de viento con el menor peso posible. El diseño de monómero de una sola pieza también está diseñado para maximizar la estabilidad y, en teoría, prolongar la vida útil de la cuchilla, ya que no hay juntas ni adhesivos que puedan dañar o fatigar con el tiempo. Actualmente, la primera versión de estas palas es relativamente pequeña, mide 3 por 3 pies, con el objetivo de escalar a un tamaño mayor para competir con las palas eólicas convencionales.
Para producir cada hoja, la tela de fibra de carbono cortada se coloca en un molde superior e inferior de aluminio, y se colocan varias capas de papel de película Xenecore encima de cada piel. El molde se cierra y, bajo alta temperatura y presión, las microesferas se expanden en una espuma estructural liviana que se une a la corteza. El proceso produce una sola parte de la viga en I, sin costuras, sin aglomerante y de movimiento libre.
El diseño de la turbina de Xenecore consta de cuatro aspas de ventilador en cada turbina, que cubren aproximadamente el 80 por ciento del área de superficie disponible. El viento empuja las palas y hace girar los rotores, lo que crea energía en la turbina. Según un libro blanco de 2021 del difunto Dr. Paulo Abdala, profesor de aviación en la Universidad de Brasilia, la cantidad de electricidad generada depende en gran medida de la velocidad del viento. La robustez de las aspas planas en forma de abanico ayuda a crear fuertes diferencias de presión en los lados de las aspas, lo que aumenta la velocidad del viento y la generación de energía.
Según las simulaciones de Xenecore, en condiciones ideales, el ventilador teóricamente podría lograr un máximo de captura de energía eólica del 98 por ciento. Además, la pala está diseñada para resistir vientos huracanados y, en simulaciones, demostró soportar vientos de hasta 376 millas por hora, muy por encima de la velocidad máxima de un huracán. Según Choe, estas palas pueden operar en turbinas existentes sin cambiar la infraestructura existente.
En 2022, Xenecore comenzó la producción de turbinas pequeñas de 5 kW con palas de 3 x 3 pies y las vendió a distribuidores en América del Sur y en línea en todo el mundo. Estos pequeños sistemas están diseñados para reemplazar paneles solares de energía similar que se usan en hogares y negocios, proporcionando la misma cantidad de energía, pero funcionan mucho mejor y su funcionamiento cuesta tres veces menos, explicó Choe.
Las palas han sido probadas para producir siete veces más energía que las turbinas eólicas convencionales de tamaño similar. El sistema más grande que Xenecore ha probado es una turbina de 100-kilovatios con palas de 11 pies de ancho. Tiene una versión a nivel de megavatios en proceso.
Choe dijo que hay mucho interés en palas Fanturbine más grandes en un futuro cercano, y señaló que la tecnología tiene el potencial de adaptar la turbina Haliade X de GE francesa, actualmente la más grande, lo que podría aumentar su capacidad 100-veces, de 14 megavatios a 1,4 gigavatios.
Actualmente, la empresa está buscando inversores y socios para ayudar a llevar la tecnología a la siguiente etapa. Para probar la tecnología, el próximo paso de Xenecore es construir e instalar una turbina de 1 MW en una torre de turbina eólica fuera de servicio.
