ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE LAS INSTALACIONES EÓLICAS OFFSHORE

Mster en Energas Renovables

2012

Mdulo Energa Elica

ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE LAS INSTALACIONES ELICAS OFFSHORE

Samuel Gonzlez Brantuas

Samuel Gonzlez Brantuas Curso 2011/2012

Mdulo de Energa Elica Mster en Energas Renovables ULe

ndice general:1. 2. 3. 3.1. 4. 5. 5.1. 5.2. 5.2.1. 5.2.1.1. 5.2.1.2. 5.2.1.3. 5.2.1.4. 5.2.1.5. 5.2.2. 5.2.2.1. 5.2.2.2. 5.2.2.3. 5.2.2.4. 5.3. 5.4. 6. 6.1. 7. INTRODUCCIN ............................................................................................... 3 QU ES LA ENERGA ELICA MARINA? .............................................................. 4 QU DIFERENCIAS EXISTEN ENTRE LA ELICA TERRESTRE Y MARINA? ................. 4 DIFERENCIAS EN LOS ASPECTOS CONSTRUCTIVOS ....................................... 5 FASES DE CONSTRUCCIN DE UN PARQUE ELICO OFFSHORE .............................. 6 ELEMENTOS DE UNA INSTALACIN ELICA OFFSHORE ......................................... 8 TURBINAS ................................................................................................. 8 CIMENTACIONES ....................................................................................... 9 CIMENTACIONES FIJAS ........................................................................ 9 CIMENTACIONES POR GRAVEDAD ...................................................... 9 TRIPOD FUNDATION ........................................................................ 9 MONOPILOTE .................................................................................. 9 JACKET FUNDATION ....................................................................... 10 SUCTION BUCKETS ........................................................................ 10 CIMENTACIONES FLOTANTES ............................................................. 10 BUOYANCY STABILIZED .................................................................. 11 MOORING LINES STABILIZED.......................................................... 11 BALLAST STABILIZED ..................................................................... 11 OTRAS TECNOLOGAS DISPONIBLES O EN DESARROLLO.................... 11

CABLES SUBMARINOS .............................................................................. 13 RED DE DISTRIBUCIN ............................................................................ 14 MONTAJE DE UN AEROGENERADOR OFFSHORE .................................................. 15 TRANSPORTE .......................................................................................... 18 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 19

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ndice de tablas: Tabla 1: Diferencias constructivas entre tecnologa onshore y offshore ............. 6 Tabla 2: Proveedores de aerogeneradores offshore ........................................ 8 Tabla 3: Tecnologas disponibles o en desarrollo para energa elica offshore flotante................................................................................................... 11

ndice de figuras: Figura 1: Elementos principales de una instalacin offshore ............................. 8 Figura 2: Cimentacin por gravedad ............................................................. 9 Figura 3: Cimentacin estilo trpode ............................................................. 9 Figura 4: Cimentacin Monopilote .............................................................. 10 Figura 5: Cimentacin Jacked Fundation ..................................................... 10 Figura 6: Cimentacin Suction Buckets ....................................................... 10 Figura 7: Cimentacin Buoyancy Stabilized ................................................. 11 Figura 8: Cimentacin Mooring Lines Stabilized ............................................ 11 Figura 9: Cimentacin Ballast Stabilized ...................................................... 11 Figura 10: Porcentaje de uso de las cimentaciones ....................................... 13 Figura 11: Red futura de conexin europea offshore ..................................... 15 Figura 12: Transporte por tierra de una pala ............................................... 16 Figura 13. Barco Jack-up anclado al fondo ................................................ 16 Figura 14. Cimentaciones monopilote (a) y de gravedad (b) .......................... 17 Figura 15. Transporte y ensamblaje de las piezas ........................................ 17 Figura 16. Ensamblaje del rotor a la gndola ............................................... 17 Figura 17. Subestacin elctrica del Alpha ventus ........................................ 18 Figura 18. Transporte martimo del aerogenerador ....................................... 19

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1. INTRODUCCIN La energa elica marina tiene muchas similitudes con la energa elica que se instala en tierra. Sin embargo, tambin tiene aspectos diferenciadores que la hacen nica. El crecimiento de la demanda energtica en todos los pases desarrollados est impulsando la promocin de nuevas fuentes energticas basadas en tecnologas renovables. La energa elica marina permite realizar un aprovechamiento energtico de los mares donde los vientos son ms fuertes y constantes. De todas las energas renovables, la elica marina rene la combinacin ms favorable entre coste de la energa y riesgo de menor produccin de la estimada o cortes en el suministro. El recurso elico marino en Europa y otras zonas es muy importante siendo el coste y riesgo de esta tecnologa menor que el de otras renovables. Adems, la tecnologa ha alcanzado un alto grado de madurez por lo que su fiabilidad est garantizada. La diferencia en 3 m/s de velocidad respecto a tierra, que en principio podra resultar mnima, implica una produccin energtica aproximadamente tres veces mayor, ya que la potencia que el aerogenerador puede extraer del viento est directamente relacionada con el cubo de la velocidad del viento que incide sobre el mismo. Esta diferencia es crucial cuando se realiza una valoracin econmica de la rentabilidad que tendr el parque elico. Pases Bajos, Dinamarca, Finlandia, Alemania, Irlanda, Italia, Noruega, Suecia y Reino Unido tienen ya construidos parques elicos offshore. Los primeros aerogeneradores instalados en las costas de Dinamarca a principios de los aos noventa, difcilmente superaban el medio megavatio de potencia. Sin embargo, la progresin en cuanto a crecimiento de potencia unitaria ha sido considerable, llegando a instalarse mquinas con una potencia unitaria de 5 MW. La evolucin para los prximos aos seguir con esta tendencia ya que la apuesta de los fabricantes as lo demuestra. La rentabilidad de un parque elico mejora con la instalacin de mquinas ms grandes ya que el mayor coste de adquisicin se compensa con la mayor produccin energtica y los menores costes de O&M de todo el parque elico que tiene menos mquinas en funcionamiento para la misma potencia instalada.

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La experiencia en el mantenimiento de los parques elicos offshore del norte de Europa es bastante alentadora ya que el servicio se presta sin demasiadas complicaciones. No obstante, en ubicaciones ms hostiles aun queda un largo camino por recorrer. 2. QU ES LA ENERGA ELICA MARINA? La energa elica marina es, al igual que la elica terrestre, una aplicacin de la fuerza producida por el viento. La diferencia respecto a la obtenida en tierra radica en que los aerogeneradores (molinos) se ubican mar adentro. Su coste de instalacin es muy superior al de las zonas terrestres, pero tambin su vida til es mayor. Adems, los costes de las cimentaciones y anclajes han disminuido de forma espectacular en los ltimos aos, con lo que el precio del megawatio (MW) de potencia se est igualando al de otras energas renovables. Dinamarca es el pas que inici la energa elica marina y en sus mares se encuentran en la actualidad los mayores parques de aerogeneradores. Esta manera de obtencin de energa cuenta adems con el beneplcito de organizaciones ecologistas como Greenpeace, que apuestan por ella por su carcter renovable y su escasa incidencia en el ecosistema. 3. QU DIFERENCIAS EXISTEN ENTRE LA ELICA TERRESTRE Y MARINA? Las instalaciones elicas marinas presentan caractersticas diferenciadas ventajosas frente a las instalaciones en tierra, principalmente: El recurso elico existente en el mar es superior que en las costas prximas. Por su propia ubicacin mar adentro, el impacto visual y acstico es menor que el de los parques elicos en tierra, lo que permite un mayor aprovechamiento del recurso elico existente, con mquinas ms grandes y la utilizacin de geometras de pala ms eficaces. Igualmente, la menor rugosidad superficial en el mar favorece la utilizacin de menores alturas de torre. Supone una mayor creacin de empleo en las fases de construccin, montaje y mantenimiento, debido a la mayor complejidad durante la instalacin y explotacin. Posibilidad de integracin en complejos marinos mixtos. Sin embargo, estas instalaciones marinas tienen tambin importantes

desventajas respecto a las terrestres, que estn limitando su desarrollo: inexistencia de

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infraestructuras elctricas; condiciones ambientales ms severas; evaluacin del recurso elico ms compleja y cara; y sobre todo, sus mayores ratios de inversin y gastos de explotacin, necesitando tecnologas especficas para la construccin y cimentaciones, transporte y montaje en alta mar, tendidos de redes elctricas submarinas y tareas de operacin y mantenimiento. La potencia unitaria de los aerogeneradores en el mar es superior a la de las turbinas en tierra. Si bien no existe en la actualidad ninguna instalacin elica en el litoral espaol, es probable que los primeros aerogeneradores localizados en nuestro litoral durante esta dcada superen los 4 MW, permitiendo un mejor aprovechamiento de los emplazamientos. La profundidad media de los parques elicos marinos existentes en el mundo al finalizar 2010 (en su prctica totalidad en los mares del Norte de Europa) es inferior a los 20 m. Con carcter excepcional, algn parque comercial puntual supera ligeramente la profundidad de 50 m, que puede considerarse el lmite batimtrico para la tecnologa actual, y para la prctica totalidad de los parques elicos comerciales que se pongan en Espaa hasta el ao 2020. Posiblemente, el mayor desafo de las instalaciones mar adentro sigue siendo reducir los costes de las cimentaciones, de las que existen distintas variantes: monopilotaje, trpode, de gravedad y flotante. Las de monopilotaje son las ms utilizadas para aguas de profundidad media (hasta 25 metros), las de gravedad para profundidades pequeas (de menos de 5 metros) y las de trpode para mayores profundidades (hasta 50 metros). Por su parte, la viabilidad comercial de las plataformas flotantes para la implantacin de aerogeneradores en aguas profundas es todava una incgnita, si bien ya existe alguna instalacin experimental que ha demostrado su viabilidad tcnica. 3.1. DIFERENCIAS EN LOS ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

Implementacin de sistemas de proteccin anti-corrosin

TORRES

Nuevos sistemas de acceso a torre Necesidad de alojar los sistemas de convertidores, control, Mayor porcentaje de fibra de carbono para dotarlas de mayor resistencia a cargas Mayor componente aerodinmico, necesidad de flexibilidad

PALAS ROTOR

Mayor sistema de evacuacin de electricidad de los protectores contra rayosMayor tamao de pala, con rotores de hasta 114 m y 120 t.

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Sistema anticorrosin

BUJE PITCH

Sistema de acoplamiento dinmico, mediante rodamientos, al sistema de transmisinSistemas electroneumticos con un gran componente hidrulico Menores relaciones tamao/potencia y peso/potencia

GNDOLA Mejora del aislamiento y de la proteccin a la corrosin CONTROL Plataforma de acceso a nacelle mediante helicptero NACELLEMayor nmero de sensores de comportamiento Necesidades de transmisin y procesamiento de un gran volumen de datos Algoritmos de control activos a tiempo real adecuados al medio marino

FRENADO

Mayores necesidades de potencia de frenado, aumento del componente hidrulico (powerboost)

Tabla 1: Diferencias constructivas entre tecnologa onshore y offshore

4. FASES DE CONSTRUCCIN DE UN PARQUE ELICO OFFSHORE

FASE 1: INVESTIGACIN METEOROLGICA La investigacin meteorolgica se realiza colocando un mstil meteorolgico fijo, encargado de la medicin del viento, y boyas oceanogrficas. Esta fase requiere un periodo de dos aos para su realizacin. FASE 2: ESTUDIO GEOTCNICO Consiste en determinar los emplazamientos finales de las turbinas. En esta fase es necesario realizar campaas de batimetra y geofsica global. Una vez conocido el emplazamiento, es necesario definir la tipologa de cimentacin que se va a colocar. Esta fase demanda medios y empresas muy especializadas para poder desarrollarse

adecuadamente (barcos de prospeccin geotcnica y plataformas Jack up especializadas). Esta fase requiere un periodo de un ao para su ejecucin. FASE 3: ORGANIZACIN LOGSTICA Antes de empezar la construccin del parque, es necesario establecer una detallada organizacin logstica y hacer acopio del material necesario. Es fundamental tener en cuenta la proximidad de los centros de produccin y la facilidad para el transporte. Esta fase debe estar perfectamente controlada un ao antes de comenzar la construccin del parque. FASE 4: INSTALACIN DE ESTRUCTURA SOPORTE

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Es una fase compleja, presenta varios inconvenientes para la proliferacin de la elica offshore. Los contratos con las empresas instaladoras de las estructuras de soporte deben hacerse con dos o tres aos de antelacin. Adems, actualmente slo hay disponibles en el mercado entre 10 y 12 barcos especializados. FASE 5: PROTECCIN ANTI SCOUR Consiste en la preparacin del fondo marino para la posterior instalacin del aerogenerador. Los barcos dragan la superficie marina para eliminar fondos inestables. Mientras tanto, otros barcos de apoyo, realizan operaciones marinas con buzos para nivelar a mano la ltima etapa de escollera. Tambin es necesaria la intervencin de barcos gnguil para depositar material de escollera (nivelacin del fondo o proteccin anti scour). FASE 6: CABLE SUBMARINO La instalacin del cable submarino de evacuacin se realiza en paralelo a la instalacin de las subestructuras. Para ejecutarlo se requiere de un tipo de barco especializado que incluye un robot submarino para la creacin de la zanja. FASE 7: SUBESTACIN ELCTRICA La subestacin elctrica es construida en tierra e instalada en el parque marino mediante Jack up o barcaza flotante. La estructura de soporte es similar a la de los aerogeneradores. FASE 8: INSTALACIN DEL AEROGENERADOR El tiempo estimado para la instalacin de los aerogeneradores es 1,5 das por turbina completa (torre, nacelle y rotor). Los barcos que se utilizan son similares a los de instalacin de subestructuras. FASE 9: OPERACIN Y MANTENIMIENTO Por los labores de operacin y mantenimiento de los parques, ser necesario disponer de dos o tres barcos. En los parques alejados de la costa, sea necesario mantener personal fijo, por lo que har falta disponer de un alojamiento flotante o fijo en el propio parque. En caso de averas, se necesitaran medios ms importantes para solventarlas, como

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por ejemplo, barcos de mayor tamao. Esta fase debe ejecutarse de forma continuada, durante toda la vida del parque.

5. ELEMENTOS DE UNA INSTALACIN ELICA OFFSHORE

Los

principales

elementos de una instalacin elica son: las turbinas, las cimentaciones, la subestacin offshore, la red de media

tensin, la lnea de evacuacin y el punto de conexin a tierra.

Figura 1: Elementos principales de una instalacin offshore

5.1.

TURBINAS

La potencia de las turbinas de los aerogeneradores actuales oscila entre 2,5 y 5 MW. En los prximos aos se prev la aparicin en el mercado de turbinas de 10 MW.

Tabla 2: Proveedores de aerogeneradores offshore

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5.2. CIMENTACIONES Las cimentaciones offshore las podemos dividir en cimentaciones fijas, para profundidades entre 0 y 50 metros; y cimentaciones flotantes, para profundidades entre 50 y 200 metros. 5.2.1. 5.2.1.1. CIMENTACIONES FIJAS CIMENTACIONES POR GRAVEDAD (hasta 30 metros de profundidad)Figura 2: Cimentacin por gravedad

Histricamente utilizado en poca profundidad (normalmente

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