Subestaciones marinas

La energía renovable en alta mar, y en particular el sector de la energía eólica marina, todavía se está desarrollando en muchos países alrededor del mundo. Los proyectos eólicos en alta mar se caracterizan por la necesidad de construir infraestructura de transmisión para la energía eléctrica. Las subestaciones costa afuera son un elemento clave de los sistemas de transmisión de energía eléctrica submarina.

Debido a las condiciones ambientales, una subestación costa afuera se construye como una instalación interior ubicada en una plataforma. Dependiendo de la capacidad del parque eólico marino, hay varias soluciones para los diseños de plataforma y subestructura utilizados para la subestación.

1 Plataforma para una subestación costa afuera.

1.1 Subestación offshore como parte de la red offshore.

Un parque eólico marino suele estar compuesto por cuatro componentes principales: aerogeneradores, la red interna, la subestación marina y la red externa. La red interna funciona a media tensión y una subestación eleva la tensión hasta la tensión de transmisión. La subestación costa afuera recibe energía de los aerogeneradores y la exporta a la red.

En la siguiente etapa del desarrollo de la red en alta mar, hay una subestación en alta mar que recibe energía de varios parques eólicos marinos y realiza la función de multiconector.

Debido a las condiciones ambientales, las subestaciones costa afuera se implementan como estructuras interiores en plataformas ancladas al fondo marino. Las plataformas para subestaciones están diseñadas como plataformas petroleras, pero la estructura tiene algunas soluciones específicas. La plataforma está diseñada para alojar los transformadores principales y de conexión a tierra, el equipo de distribución y otros equipamientos.

1.2 Estructura de la plataforma de la subestación costa afuera.

La estructura de la plataforma de la subestación se puede dividir en dos partes principales:

• Estructura de soporte, que incluye las cimentaciones y la subestructura, con el objetivo principal de transferir las cargas desde la parte superior y la estructura de soporte al fondo marino.

• Parte superior, que generalmente es una estructura en forma de caja colocada en la parte superior de la subestructura que contiene equipos eléctricos como transformadores, interruptores de alto voltaje (HV) y voltaje medio (MV), etc.

1.3 Estructura de soporte.

Dependiendo de las características del fondo marino, se pueden distinguir dos tipos de plataformas marinas:

•  Plataformas fijas.

•  Plataformas flotantes.

Actualmente la eólica marina se centra en áreas poco profundas por lo que las estructuras actualmente en operación son fijas. Dentro de las estructuras de soporte, los sistemas operativos suelen utilizar: gravity-based, monopiles y jackets.

1.4 Estructura superior.

La parte superior es típicamente una estructura en forma de caja colocada en la parte superior de la subestructura que contiene el equipo eléctrico incluido en la subestación costa afuera, que proporciona algunas o todas las funciones de la plataforma.

El diseño de la parte superior está determinado principalmente por:

A. Disposición de la subestación eléctrica.

Este diseño se debe al tipo de subestación eléctrica implementada en la red de alta mar, a la capacidad del parque eólico marino y a los parámetros eléctricos (voltaje, tipo de corriente (CA o CC) del sistema de transmisión submarina). Las superficies superiores para subestaciones de CC de alto voltaje (HVDC) son generalmente más grandes que sus contrapartes de CA de alto voltaje (HVAC).

B. Requisitos adicionales, que incluyen:

• Condiciones de operación de los equipos eléctricos (sistemas de refrigeración, espacios de aislamiento, etc.);

• Condiciones de trabajo para los servicios o el personal de la subestación (cuartos de personal, aire acondicionado, alojamiento, etc.).

• Sistemas de seguridad, navegación, señalización y rescate (sistemas contra incendios, sistemas de iluminación, evacuación, etc.);

C. Solución adoptada para la estructura de soporte.

Otros factores que pueden afectar la estructura de la parte superior son los requisitos del puerto, debido a que la estructura de la parte superior se realiza en tierra y luego se transporta a la ubicación de la instalación. La parte superior está compuesta por cubiertas divididas en habitaciones y pasillos, donde la plataforma más baja es la plataforma de cables, mientras que la cubierta superior tiene capacidad para equipos de señalización y un helipuerto. El equipo eléctrico en las plataformas offshore se organiza de una de las dos formas siguientes:

• Instalación vertical del equipo: se utiliza principalmente en subestaciones con bajas capacidades de hasta 100 MW, donde la estructura de soporte es de gravedad o monopile.

• Instalación horizontal del equipo: se utiliza en subestaciones con una capacidad superior a 100 MW, donde, debido a la cantidad y el peso de los elementos de la subestación, es necesaria una estructura de soporte de múltiples capas de la chaqueta.

2 Equipo eléctrico.

El equipo eléctrico de la subestación costa afuera depende del tipo de corriente eléctrica (CA o CC) utilizada para la transmisión de energía eléctrica. Debido al tipo de corriente eléctrica utilizada, se pueden distinguir las subestaciones costa afuera HVAC y HVDC.

Las razones para elegir HVDC en lugar de HVAC para transmitir energía desde sistemas offshore a sistemas onshore son a menudo numerosas y complejas. Pero en la mayoría de los casos, la distancia de transmisión a la costa es el factor clave.

El equipo eléctrico básico de las subestaciones HVAC incluye:

- Transformadores,

- Transformadores auxiliares,

- Transformadores de puesta a tierra,

- Conmutadores GIS de alta y media tensión,

- Generadores de respaldo,

- Resistencias de puesta a tierra,

- Reactores,

- Filtros de corriente alterna.

El propósito principal de las subestaciones HVDC es convertir la corriente alterna en corriente continua. Por lo tanto, los elementos adicionales en las subestaciones HVDC en comparación con las subestaciones HVAC incluyen:

- Convertidores IGBT con sistema de refrigeración,

- Alisador de bobinas,

- Filtros de corriente continua.

3 Funciones y clasificación de la subestación costa afuera.

Una subestación costa afuera es una parte integral de un sistema de energía. Las subestaciones tanto en tierra como en alta mar deben cumplir con los estándares definidos por el Operador del Sistema de Transmisión. Debido a sus funciones actuales y futuras, así como a la importancia de los sistemas de energía, se pueden especificar los siguientes tipos de subestaciones costa afuera:

• Subestaciones de clientes: se utilizan para exportar energía desde un solo parque eólico. Las subestaciones de los clientes son subestaciones colectoras que reciben cables de transmisión de MT que comprenden la red de cables inter-array del parque eólico. En una subestación del cliente, MV se transforma en alto voltaje (HV) o voltaje extra alto (EHV). A diferencia de las subestaciones de generación en tierra típicas, que están conectadas a otras subestaciones, el sistema de transmisión de exportación de energía de las subestaciones de clientes en alta mar se desarrolla como una línea radial conectada por medio de un cable externo.

• Subestaciones centrales: utilizadas para la exportación de energía desde varios parques eólicos. Dos o más líneas de cable HV (o EHV) que exportan energía desde parques eólicos individuales están conectados a la subestación central. Una subestación central puede albergar transformadores que transforman HV en EHV. En consecuencia, las subestaciones centrales pueden diseñarse como subestaciones de voltaje único o múltiple.

• Subestaciones de sistema: tienen conexiones (a través de enlaces de cable submarino) a al menos dos subestaciones mar adentro diferentes o al menos una conexión a una subestación mar adentro y al menos una conexión a una subestación en tierra.

• Subestaciones de concentrado: tienen las características de las subestaciones centrales y de sistema.

• Subestaciones de interconexión: subestaciones de sistemas con enlaces directos a redes eléctricas de otros países u operadores de redes de transmisión.

• Subestaciones de carga: forman parte de los sistemas de suministro de energía para grandes clientes ubicados en alta mar, como las plataformas de producción.

4 Diseño de subestaciones costa afuera.    

En el proceso de diseño de la subestación costa afuera, se deben abordar las siguientes consideraciones:

• Ubicación de la subestación costa afuera.

Dado que la ubicación de la subestación costa afuera tiene un impacto significativo tanto en el diseño como en el costo total de los cables, se espera que la ubicación optimizada del sistema operativo se encuentre al mismo tiempo que la distribución de la conexión del cable optimizada. En un caso simplificado, una subestación costa afuera se instala idealmente dentro del área central del parque eólico para minimizar las longitudes del conductor de la red interna y optimizar las eficiencias de pérdida dentro de la misma red. Se debe enfatizar que debe mantenerse alrededor de la plataforma de la subestación costa afuera una zona de seguridad libre de obstáculos.

• Número de subestaciones offshore.

Para grandes parques eólicos, se requieren múltiples subestaciones, cada una con su propio cable de exportación a costa, lo que proporciona cierta redundancia al sistema de exportación. La mayoría de los proyectos hasta la fecha solo han requerido una sola subestación, pero se anticipa que los proyectos futuros usarán múltiples subestaciones si la producción de energía esperada es más de aproximadamente 600 MW.

• Diseño estructural.

Los principales problemas del diseño estructural incluyen:

- Condiciones ambientales (es decir, viento, corrientes marinas, olas, etc.) y tensiones,

- Peso de la parte superior y sobre el centro de gravedad,

- Protección contra la corrosión,

- Investigaciones geotécnicas,

- Operaciones marítimas.

En general, la vida útil técnica de la estructura suele estar programada para 20 a 25 años. Ciertos estándares y prácticas recomendadas deben considerarse en el diseño estructural (DNVGL, API, BV, etc.).

• Disposición de subestaciones eléctricas.

Las consideraciones del diseño eléctrico de la subestación generalmente tratan:

- Volumen de la parte superior (dimensiones),

- Configuración de la barra de distribución de la subestación,

- Grado de fiabilidad y redundancia necesario.

- Número de líneas entrantes, transformadores y dispositivos de compensación reactiva,

- Demandas especiales del sistema de potencia, como la potencia mínima de cortocircuito.

El número de barras colectoras y el número de disyuntores por alimentador de subestación determinan la redundancia, las tasas de falla/corte esperadas asociadas, la complejidad y el costo.

• Salud y seguridad laboral.

Las subestaciones costa afuera están equipadas con sistemas de telecomunicaciones para permitir el control remoto desde tierra. Sin embargo, el personal calificado debe estar disponible en el sitio, en particular en caso de una emergencia o para mantenimiento. La complejidad de la ingeniería de las subestaciones costa afuera, donde se llevan a cabo varios procesos tecnológicos, y las condiciones ambientales en el sitio de la plataforma pueden tener una serie de efectos adversos para la salud de su personal.

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