12 de noviembre de 2024: No hay dos instalaciones hidroeléctricas iguales. Todos funcionan de manera similar aprovechando el poder del agua corriendo para hacer girar turbinas y generadores, lo que a su vez genera electricidad. Pero sus diferencias (en tamaño, antigüedad o piezas mecánicas) significan que no existe una respuesta única que pueda resolver todos los problemas que surgen.
“Las instalaciones hidroeléctricas son como copos de nieve; Incluso las turbinas individuales dentro de una planta son únicas debido a su construcción individualizada y sus diversas actualizaciones a lo largo de los años”, dijo Nathan Fletcher, ingeniero hidroeléctrico senior en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía.
Gestionar todo ese mantenimiento de una instalación hidroeléctrica es engorroso y complicado, continuó Fletcher. Con tantos componentes que supervisan, escuchó a los operadores de represas decir que deseaban encontrar una forma de rastrear posibles problemas dentro de la maquinaria de una represa mucho antes de que puedan obstaculizar las operaciones.
Ingrese a los gemelos digitales hidroeléctricos: una representación virtual de turbinas de la vida real.
Después de escuchar las repetidas frustraciones de los operadores de represas, expertos de Múltiples dominios colaboraron y desarrollaron una plataforma llamada Gemelos digitales para sistemas hidroeléctricos en 2023 para reducir las interrupciones y extender la vida útil de una presa. Con las nuevas actualizaciones publicadas en septiembre de 2024, los operadores de presas ahora pueden usar el panel para ajustar factores que potencialmente pueden desgastar la eficiencia de una turbina, como la demanda inesperada de electricidad o cambios extremos en el nivel del agua.
Los operadores de prensas pueden personalizar su gemelo digital para reflejar la singularidad de cada instalación; solo necesitan cargar los datos de sus instalaciones y el panel de Digital Twins for Hydropower Systems se encarga del análisis.
«Cada presa requiere una estrategia de mantenimiento única para mejorar la eficiencia, y la nueva plataforma de gemelos digitales puede proporcionar esas soluciones», dijo Chitra Sivaraman, investigadora principal del proyecto de PNNL. «La plataforma es extensible y escalable, capaz de adaptarse a nuevas instalaciones, datos y modelos».
Los modelos de gemelos digitales también abordan otro desafío. “La edad promedio de las represas del país es de alrededor de 60 años, lo que significa que varias generaciones de empleados han trabajado en cada turbina. Y el conocimiento se pierde inevitablemente a medida que los empleados experimentados se jubilan y nuevos empleados se unen al equipo”, afirmó Scott Warnick, ingeniero de sistemas eléctricos y de automatización de PNNL y líder técnico del proyecto de gemelos digitales. Los gemelos digitales hidroeléctricos pueden registrar y simular todos los cambios realizados en la presa durante los años siguientes, transmitiendo conocimientos y ayudando a las generaciones futuras a tomar decisiones.
Modernizando la energía hidroeléctrica
«La solución de gemelos digitales permite a los operadores de energía hidroeléctrica simular diferentes escenarios, como flujo de agua bajo o niveles de agua variables, y predecir necesidades futuras de rendimiento o mantenimiento», dijo Warnick.
Para construir un gemelo digital que represente con precisión la vida real, el equipo utilizó datos en tiempo real de una unidad de generación de energía hidroeléctrica en la presa Alder en el río Nisqually en el oeste del estado de Washington, operada por Tacoma Public Utilities.
Al frente del desarrollo del modelado está Hong Wang, investigador principal del proyecto en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE. Él y el equipo recopilaron datos, como la presión del río cuando ingresa a la instalación hidroeléctrica, qué tan rápido giran las turbinas y cuánta energía genera la presa con el tiempo.
En la versión original del gemelo digital, los operadores de la presa solo podían observar cómo las condiciones normales o esperadas afectaban las partes mecánicas de la presa. En la versión 2.0, los operadores tienen más control. Pueden ajustar los niveles de agua, los caudales y la velocidad de las turbinas que podrían cambiar según el clima, las sequías o la demanda de energía. Con la capacidad de simular tantas condiciones normales como un flujo de agua mayor o menor, los operadores de la presa pueden detectar problemas potenciales antes de que surjan.
«Las personas en operaciones y mantenimiento pueden realizar pruebas en un gemelo digital en lugar de arriesgar equipos costosos, asegurándose de que las decisiones se puedan tomar con confianza», dijo Warnick.
Integración con energías renovables
El modelo actualizado de gemelos aborda digitales otra necesidad emergente. A medida que la nación avanza hacia una red sostenible y adopta más energía eólica y solar, los sistemas hidroeléctricos deben ser adaptables y receptivos para respaldar una red estable.
«Esta plataforma es capaz de extender la vida útil de las represas del país y al mismo tiempo integrar fuentes adicionales de energía renovable a la red», dijo Sivaraman.
Por ejemplo, la demanda de energía aumenta por las noches cuando la gente llega a casa del trabajo y enciende la televisión o utiliza el lavavajillas o la lavadora. Al mismo tiempo, el sol se pone, por lo que la generación de energía solar comienza a disminuir. Es más, a veces el viento no sopla; Esto puede resultar particularmente difícil durante los días extremadamente calurosos, cuando se necesita energía para el aire acondicionado. En épocas de poco sol o viento, los operadores de represas hidroeléctricas pueden llenar el vacío en la generación arrancando rápidamente las turbinas.
Pero a pesar del beneficio de una fuente de energía renovable de fácil desarrollo, «un uso excesivo puede envejecer los componentes de una presa más rápidamente», dijo Fletcher. «La clave es generar suficiente energía cuando sea necesario sin sobrecargar las propias turbinas».
Con una solución de gemelo digital, los operadores pueden simular y revisar las fluctuaciones de la demanda de energía del mundo real. Si el modelo muestra que las condiciones son óptimas para hacer funcionar las turbinas, los operadores pueden sentirse seguros de proceder, lo que maximiza los ingresos.
«El tablero de los gemelos digitales allana el camino para la digitalización de los sistemas hidroeléctricos, proporcionando una herramienta crítica para que los operadores simulen y optimicen el funcionamiento de la red para una mayor penetración de las energías renovables, como la solar y la eólica» , dijo Wang.
Ampliando el alcance
Con la colaboración continua con TPU, el equipo obtiene información sobre formas de mejorar el modelo. Si bien ayudan a que TPU funcione de manera más eficiente, las actualizaciones del tablero significan que pueden representar una diversidad más amplia de turbinas.
«Los equipos de PNNL y ORNL tienen las habilidades matemáticas y prácticas necesarias para resolver problemas complejos de gemelos digitales», afirmó Greg Kenyon, gerente de ingeniería de automatización de TPU.
El equipo también está trabajando con la empresa de servicios públicos del condado de Chelan, en el centro-norte del estado de Washington, para recopilar y analizar años de registros de datos de operación de la presa Rocky Reach para desarrollar un gemelo digital. Al igual que en el caso de la presa Alder, los gemelos digitales hidroeléctricos del condado de Chelan brindarán a los operadores la capacidad de revisar el monitoreo y análisis del desempeño, realizar mantenimiento predictivo y optimizar la producción de energía, todo sin costo alguno.
«El gemelo digital ayudará a minimizar el riesgo de realizar la operación real, como el rechazo de carga, la prueba de exceso de velocidad y la vibración en la etapa de inicio o parada de la unidad», dijo Wenbo Jia, ingeniero mecánico senior de Servicios Públicos del Condado de Chelan.
El equipo anticipa proyectos futuros que amplifican la aplicación de gemelos digitales.
“Ahora estamos construyendo lo básico, centrándonos en turbinas y rotores. Pero nuestro objetivo es abordar preocupaciones más amplias, como la acumulación biológica como lodo en los refrigeradores, junto con el desafío de hacerlos más respetuosos con el medio ambiente, que ahora son preocupaciones comunes para muchas empresas de servicios públicos”, dijo Fletcher.
La visión de Kenyon para los sistemas hidroeléctricos es un futuro basado en datos donde el análisis de datos y los algoritmos de mantenimiento predictivo impulsan la gestión de activos. «Es uno en el que no hay interrupciones no planificadas ni pérdida de ingresos, sino interrupciones determinadas por programas de mantenimiento y reemplazos de equipos basados en datos», dijo.
Para comenzar a utilizar el nuevo panel de gemelos digitales hidroeléctricos, los operadores de represas pueden registrarse para obtener una cuenta y trabajar con el equipo de PNNL y ORNL para compartir los datos históricos de sus instalaciones.
El proyecto está financiado por la Oficina de Tecnologías Hidráulicas del DOE.
Fuente: Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
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