Gravi3: el desarrollo de la energía eólica marina de TYPSA

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 69)
Javier Abanades, Dr ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, responsable Modelización Hidrodinámica, TYPSA
José Landete, ingeniero Naval y Oceánico, responsable Operaciones Marinas, TYPSA
Carlos García, ingeniero Industrial, jefe de Proyectos Energía Eólica Marina, TYPSA

La concienciación actual sobre la necesidad de alcanzar un modelo de crecimiento más sostenible, que no comprometa a las generaciones venideras, ha conducido a un fuerte impulso de las energías renovables. En este sentido, la energía eólica, y más particularmente la energía eólica marina, están llamadas a convertirse en uno de los grandes pilares del nuevo modelo energético. La cimentación patentada por TYPSA: Gravi3, está compuesta por tres cajones de hormigón unidas a un trípode metálico. Esta innovadora solución por gravedad en rangos de profundidades entre 40 y 60 metros permite reducir los costes de la energía.

Introducción

La lucha contra el cambio climático y la búsqueda de la autosuficiencia energética son actualmente dos grandes retos mundiales que han conducido a un incremento en el interés, tanto social como político, por el desarrollo de energías renovables. Un reflejo de esta preocupación a nivel internacional fue la directiva europea 2009/28/CE que fijó los conocidos como 20-20-20 objetivos para 2020: (i) reducir en un 20% las emisiones de CO2 comparado con los niveles de 1990; (ii) incrementar la contribución de las energías renovables en el mercado energético hasta un 20%; y (iii) mejorar en un 20% la eficiencia energética.

Para cumplir con estos propósitos, el desarrollo durante la última década de la energía eólica marina (generalmente denominada offshore) ha sido clave, gracias en gran medida a la (r)evolución tecnológica asociada que ha experimentado el sector. Uno de los factores limitantes de la energía eólica terrestre (generalmente denominada onshore) es la limitación en el transporte de los diferentes componentes de un aerogenerador, véase el ejemplo de las palas. Este aspecto difiere en el caso de parques offshore, dado que el transporte puede llevarse a cabo mediante grandes medios marítimos. Esto último ha permitido un aumento considerable en el diámetro del rotor, que está directamente relacionado con el área barrida por el aerogenerador y, consecuentemente, con la potencia que puede llegar a generar.

La evolución de los datos de potencia instalada offshore durante los últimos años y las tendencias para la próxima década muestran que es probable que se alcance cierta tendencia a la saturación del mercado en un futuro próximo. Sin embargo, es evidente que, si se quieren alcanzar los objetivos de emisiones citados con anterioridad, los cuales son si caben todavía más ambiciosos para 2050 (la reducción debe llegar a alcanzar el 80%), es necesario que exista un mayor desarrollo tecnológico durante los años venideros.

En este sentido, una de las principales causas de la deceleración que se espera en el mercado durante la próxima década es el agotamiento de las posiciones idóneas para la instalación de aerogeneradores (profundidades menores de 20 m), ya que las zonas con mayores plataformas continentales (e.g. Mar del Norte) se encuentran actualmente cercanas a la saturación. Para esta profundidad, la tecnología monopilote (empleo de pilotes individuales de gran diámetro) es óptima, tanto a nivel de coste como de viabilidad constructiva. De hecho, el mercado está claramente liderado por esta tecnología con una cuota superior siempre al 70% desde 2011. Sin embargo, en profundidades mayores, el monopilote no se posiciona como la tecnología más adecuada, apareciendo entonces la necesidad de desarrollar nuevas soluciones, que sean tan competitivas como el monopilote.

En este contexto son varias las soluciones que aparecen, cuya viabilidad técnica y económica dependen de nuevo del rango de profundidades. En este sentido, se diferencia entre aguas someras, aguas intermedias y aguas profundas, haciendo las primeras referencia a profundidades comprendidas entre 5 – 20 m; las segundas entre 20 – 60 m; y las últimas a mayores de 60 m. En la siguiente figura se muestra cómo mientras que en el ámbito de las profundidades someras el monopilote es la solución más adecuada, en profundidades intermedias las soluciones por gravedad (conocidas como GBS), trípodes y jackets, son las que tienen mayor cuota de mercado. Para mayores profundidades se aumenta inevitablemente el coste de las cimentaciones, siendo lo más común la aplicación de soluciones tipo flotante similares a las usadas en la industria petrolífera (e.g. Spar o TLPs).

Gravi3: el desarrollo de la energía eólica marina de TYPSA

Imagen 1: Tipo de cimentación más adecuada vs Profundidad

Gravi3: el concepto

El principal objetivo a la hora de desarrollar una tecnología offshore para parques eólicos es la reducción del coste normalizado de la energía (LCOE). En este contexto de competitividad, se desarrolla la patente Gravi3 entre TYPSA y el Harbour Research Laboratory (HRL) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). El objetivo de la cimentación Gravi3 es aportar nuevas soluciones a través de un concepto innovador: una subestructura híbrida, de acero y hormigón, compuesta de tres cajones de hormigón armado lastrados con agua y un trípode metálico para profundidades de transición entre 35 y 60 m.

Gravi3: el desarrollo de la energía eólica marina de TYPSA

Imagen 2: Esquema conceptual Gravi3®

El concepto adapta la tipología de cimentación por gravedad a aguas intermedias mediante una sub-estructura innovadora híbrida de acero y hormigón armado. La torre del aerogenerador se conecta a un trípode de acero, el cual, a su vez, se une a tres cajones de hormigón armado. En general, una de las principales limitaciones de las tradicionales estructuras por gravedad es su escasa aplicación para profundidades mayores de 30 m. Sin embargo, la combinación de elementos por gravedad, que aportan el peso suficiente para resistir las cargas, con una estructura metálica (en este caso tipo trípode) que aporta esbeltez, permite a este tipo de estructuras ser muy competitivas para profundidades mayores de 40 m. De hecho, cuanto mayor es la profundidad a la que se encuentran los cajones, menores son las cargas y por tanto menor el peso necesario de la estructura para resistirlas. Sin embargo, la limitación de profundidad viene dada por la altura de la masa del aerogenerador; cuanto mayor es el trípode, a mayor altura se encuentra la masa de la góndola (usualmente conocido como nacelle) del aerogenerador, lo cual genera inestabilidad en su fase flotante. Por tanto, se ha encontrado como punto óptimo el empleo de este tipo de soluciones para profundidades entre 40-60 m.

Una de las principales ventajas del concepto es el proceso de ensamblaje de la estructura en el interior del puerto, minimizando así el número de operaciones offshore. La construcción de los cajones puede ser llevada a cabo mediante el empleo de diques secos o de diques flotantes (cajoneros), basados en la tecnología desarrollada para la construcción de cajones de obras portuarias. Este último presenta varias ventajas: (i) para las dimensiones de los cajones (más de 15 m de puntal) el calado necesario de los diques secos limitaría el número de puertos factibles y, por lo tanto, los costos serían demasiado altos, (ii) la botadura de los cajones usando diques flotantes simplifican la operación y (iii) en caso de ser necesario, varios diques flotantes pueden operar simultáneamente, lo cual es muy poco probable en el caso de diques secos (al menos sí es necesaria cierta proximidad geográfica).

Gravi3: el desarrollo de la energía eólica marina de TYPSA

Imagen 3: Cadena suministro Gravi3®

Una vez construidos los cajones, se instala el trípode sobre ellos y finalmente el aerogenerador. Una vez ensamblado completamente, es transportado a la zona de instalación para finalmente ser posicionado mediante el lastrado de las celdas que forman los cajones. Otra significante ventaja frente a otras soluciones es la utilización del agua como único lastre; tanto para el fondeo como durante toda la vida útil. Esto supone un importante ahorro, no sólo desde el evidente punto de vista del material, sino también de la operativa para la instalación, donde un número muy limitado de medios auxiliares son necesarios. Además, el llenado de las celdas se realiza mediante una serie de bombas, que pueden ser reutilizadas para el posterior desmantelamiento de la estructura una vez completada su vida útil. Por el contrario, en caso de estructuras pilotadas o hincadas, es necesario cortar la estructura y dejar parte de ella en el mar con las consecuencias negativas que ello supone.

Esta solución por tanto evita la necesidad de recurrir a los servicios de buques de transporte de cargas pesadas para la instalación de la cimentación y/o del aerogenerador, reduciendo así el nivel de complejidad, el riesgo y el coste de las operaciones en alta mar. En el caso de Gravi3 la tecnología puede ser instalada mediante el empleo de simples remolcadores, que pueden llevar a cabo tanto la operación de transporte como la de instalación. La estructura está diseñada para ser transportada a una velocidad de 2 nudos, por lo que los tiempos de transporte no deberían superar los 2 días si el puerto está ubicado a una distancia menor de 100 millas náuticas. Por último, el tiempo de instalación está estimado en aproximadamente 24 horas, mientras que la instalación de tecnologías alternativas como un jacket o un monopilote se estima entre 2 y 3 días, plazo al que se debe añadir que la turbina debe ser ensamblada a posteriori. En el caso de Gravi3 la estructura completa puede ser instalada en 24 horas, y en menos de 3 días considerando su transporte desde un puerto a menos de 100 millas náuticas. Esto tiene especial relevancia en áreas con condiciones severas de oleaje, puesto que las ventanas operativas necesarias pueden limitar las operaciones de instalación.

Desde el punto de vista medioambiental la solución también presenta numerosas ventajas, puesto que al no utilizar métodos de pilotaje (jackets / trípodes) o hincado (monopilotes) se reduce de forma significante el impacto que pueden sufrir las comunidades marinas, no sólo desde el punto de vista de la alternación de las condiciones, sino también del ruido. Además el empleo de agua para el lastrado supone un significante ahorro de material, especialmente frente aquellas soluciones que necesitan material granular para su lastrado. Por otro lado, gracias a la banqueta de nivelación que se instala y a la gran superficie ocupada por la cimentación, hace que las cargas transmitidas al terreno sean muy bajas, lo que convierte a la solución en apta para suelos con diferentes capacidades portantes.

En resumen, el objetivo marcado de esta solución es reducir de forma sostenible el coste normalizado de la energía hasta en un 15%.

Diseño integral de Gravi3

Uno de los principales retos del mundo offshore, es la modelización e integración de las cargas meta-oceánicas (principalmente viento y oleaje), que son los principales agentes externos que conducen el diseño de este tipo de estructuras. Para ello, TYPSA se apoyó en el empleo de la modelización numérica y física. Mientras que la primera permite la obtención de los resultados finales para el diseño, la segunda permite obtener los datos necesarios para poder calibrar y validar los modelos numéricos. Esta combinación de herramientas permite alcanzar un diseño integral representando con exactitud la respuesta de la estructura en sus diferentes fases de proyecto: ensamblaje en el interior del puerto, transporte como estructura flotante, instalación y su fase de fondeo; y en servicio actuando como estructura fija al fondo.

Cada una de las fases conduce al diseño de las diferentes partes de la estructura. Durante su fase flotante, el diseño de la estructura define el tamaño necesario de los cajones para asegurar su estabilidad naval. Se ha de destacar que la principal masa del aerogenerador se encuentra en la góndola del mismo, que está situada a una altura mayor de 100 m desde el nivel del mar. Esto supone una gran inestabilidad a la hora del transporte que debe garantizarse gracias a la flotación aportada por los cajones. La instalación a su vez también rige la geometría de la estructura puesto que uno de los momentos claves de la operación es el proceso de fondeo de la estructura. En su fase de transporte, los cajones son los que aportan la estabilidad, sin embargo durante la fase de fondeo, existe un momento crítico que es la perdida de cubierta de los cajones. En este paso, la flotación pasa de ser proporcionada por los cajones (con un alto valor de inercia de la flotación) al trípode (con un valor muy reducido de este parámetro de estabilidad). Como consecuencia se produce una reducción drástica de la altura metacéntrica (GM) y por tanto de la estabilidad de la estructura flotante. Para ello es necesario diseñar una estructura de agrupación de celdas y un sistema de fondeo que permita la corrección de cualquier desviación que se ocurría durante el lastrado de las celdas.

Por último, durante la fase de servicio, una vez la estructura es fondeada y funciona como una cimentación fija al fondo, se ha de calcular las fuerzas del oleaje que inciden sobre ella para calcular el peso necesario para evitar su fallo. El principal modo que puede inducir a su colapso es el deslizamiento, por tanto, la fuerza de rozamiento entre cajones y banqueta ha de ser mayor que el esfuerzo horizontal generado por la acción combinada de oleaje y viento. Es destacable que la magnitud del estado límite último puede requerir un peso en su fase de servicio mayor de 50.000 toneladas, siendo prácticamente la mitad el peso aportado por el lastrado de las celdas con agua del mar.

Éste es uno de los principales objetivos del diseño, dado que se persigue el equilibrio entre la fase flotante y la fase en servicio: a mayor peso durante la fase de transporte, mejor es su comportamiento una vez fondeado, pero peor en la fase flotante, ya que el francobordo de los cajones es menor y por tanto mayores son las cargas de transporte. Un escenario diametralmente opuesto sería si tuviéramos más francobordo, puesto que las cargas en transporte serían menores, pero en cambio, la estructura no sería capaz de resistir las fuerzas del oleaje una vez fondeado por falta de peso.

Gravi3: el desarrollo de la energía eólica marina de TYPSA

Imagen 4: Ensayos laboratorio HRL-UPM en su fase de servicio

Por tanto, uno de los pilares del diseño es la modelización física. Para el desarrollo de Gravi3 modelos a escala 1:50 fueron ensayados en las instalaciones referentes a nivel mundial para este tipo de simulaciones: CEHIPAR (Canal de experiencias hidrodinámicas de El Pardo) y HRL-UPM (Harbour Research Laboratory de la Universidad Politécnica de Madrid). Los ensayos tenían como objeto la obtención de los datos suficientes para poder realizar las calibraciones de los modelos numéricos consecuentes para las diferentes fases del proyecto. Los ensayos en fase flotante (transporte) fueron realizados en el Laboratorio de Dinámica del Buque del CEHIPAR, que se trata de un canal de 150 m de largo, 30 m de ancho y 5 m de profundidad; mientras que los ensayos que requieran una menor profundidad del canal (fase servicio como estructura fija y la instalación) fueron realizados en vaso de ensayos del HRL-UPM tiene 32 metros de largo, 11 metros de ancho y una profundidad total de 1.3 metros. Ambas instalaciones están equipadas con sistemas de última generación para la recreación del oleaje, así como de sistemas de absorción tanto pasivos (playas de disipación) como activos en las propias palas de generación.

Gravi3: el desarrollo de la energía eólica marina de TYPSA

Imagen 5: Ensayos laboratorio HRL-UPM en su fase de instalación

De la misma forma que la solución híbrida engloba las ventajas de las soluciones por gravedad y del tipo trípode, la modelización numérica de este tipo de estructuras afronta los retos que presentan ambos tipos de soluciones. El disponer de grandes elementos conectados mediante tres puntos con una estructura metálica, aumenta la complejidad del cálculo tanto en la fase de transporte como en la fase de servicio. Además, las teorías que aplican al cálculo de las cargas difieren entre los elementos que forman la estructura, ya que la modificación sobre los patrones del oleaje es diferente cuando el flujo atraviesa un gran volumen como el cajón, o un elemento esbelto como son los componentes tubulares que forman el trípode.

En este sentido, es determinante el diseño apropiado de las campañas de ensayos en el laboratorio para poder extraer los datos fundamentales que permitan la calibración y validación de los modelos numéricos. La dificultad del diseño es si cabe mayor debido a la singularidad de la estructura, puesto que la ausencia de normativa o artículos de referencia que guiarán sobre determinados cálculos, hacen necesario el planteamiento de nuevas metodologías. Aspectos como la determinación de la fatiga en el trípode durante su transporte; la calibración del amortiguamiento no lineal como estructura flotante, o la determinación diferencial de las cargas en su fase de servicio son ejemplos de nuevas propuestas realizadas para el cálculo de las cargas bajo el marco de este diseño.

El éxito del diseño queda patente en la satisfactoria aprobación del mismo por una tercera parte, la cual fue encargada de realizar la revisión de todos los elementos que componen el diseño de tal estructura: desde el cálculo de cargas en las diferentes fases, el diseño de las operaciones marítimas, las verificaciones de los modos de fallos geotécnicos y estructurales, o a las instalaciones necesarias para realizar el fondeo de la estructura.

En resumen, Gravi3 supone un gran avance en el diseño de este tipo de estructuras, puesto que conjunta de forma pionera las ventajas de las cimentaciones por gravedad y tipo trípode. Además, la optimización de costes que promueve el concepto gracias a la minimización del número de operaciones marítimas ha conducido a esta solución a ser muy competitiva frente a otros tipos en los rangos de profundidades entre 40 y 60 m.

La aplicación de las soluciones con cajones para energías renovables

La apuesta de TYPSA por la integración de las energías renovables marinas en el mix energético es total y no se limita únicamente al desarrollo de Gravi®. De hecho, TYPSA ha participado en numerosos proyectos en este ámbito, y más en particular con la aplicación de las soluciones mediante cajones para el desarrollo de las energías marinas. Más allá del diseño de cimentaciones para aerogeneradores, TYPSA también ha realizado el diseño de las cimentaciones para torres meteorológicas de Inch Cape y Moray Firth, en los cuales se empleó una solución híbrida con el empleo de un cajón celular de hormigón con un elemento tubular metálico que servía como sustento para la torre meteorológica. Estos proyectos fueron clave para la maduración del concepto Gravi3, puesto que supuso la corroboración del buen funcionamiento de este tipo de soluciones.

Gravi3: el desarrollo de la energía eólica marina de TYPSA

Imagen 6: Torres meteorológicas de Moray Firth e Inch Cape (Escocia)

Otros ámbitos de aplicación de la tecnología de cajones es el ámbito de las islas artificiales para la mejora de la conexión eléctrica de los parques marinos offshore con la costa. Este nuevo paradigma ha conducido a las grandes distribuidoras europeas a plantearse este tipo de alternativas, puesto que se convertirían en grandes centros de transformación y además contribuirían a mejorar las operaciones de mantenimiento y operación asociados al parque. En este caso, TYPSA participó en el concurso de ideas para el diseño de la isla artificial de Ijmuiden Ver en el Mar del Norte con una solución empleando cajones como elementos de contención del material a lo largo de su contorno exterior. Teniendo en cuenta el amplio rango de profundidades de la zona (aproximadamente 25 m), este tipo de soluciones son mucho más competitivas que las tradicionalmente aplicadas para ganar terreno al mar en zonas anexas a núcleos poblacionales.

Gravi3: el desarrollo de la energía eólica marina de TYPSA

Imagen 7: Isla artificial de Ijmuiden Ver

Por último, destacar que en vías de la sostenibilidad y autosuficiencia de los puertos, bajo el nuevo concepto promovido por la Unión Europea de “Green ports” TYPSA ha colaborado con varias autoridades portuarias para la integración de aerogeneradores en los diques portuarios, principalmente aquellos basados en cajones. Estas medidas de uso común en puertos europeos, como el Puerto de Rotterdam con 200 MW instalados, presentan las ventajas de un recurso eólico mayor que en tierra, pero con unas condiciones de instalación mucho más simples/económicas que las correspondientes offshore.

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