Corrosión y biofouling en la eólica marina

El sector eólico marino se enfrenta a un problema cuando se trata de corrosión y biofouling. Los parques eólicos están diseñados para operar en condiciones marinas extremas durante una vida útil de 20 a 25 años. Es esencial para el costo de la energía que las turbinas puedan superar esta expectativa de vida, y cualquier reparación en curso también debe tenerse en cuenta en el costo general. La naturaleza agresiva del agua salada del mar, combinada con las bioincrustaciones, crean un entorno especialmente severo, que ya se han reflejado en algunos problemas de corrosión imprevistos en los parques eólicos existentes.

Mecanismos de corrosión y zonas de corrosión para estructuras offshore

En general, los mismos mecanismos que pueden dañar estructuras marinas, como barcos, también pueden dañar las turbinas eólicas y las plataformas que están hechas del mismo material o similar. Las estructuras marinas están expuestas a condiciones ambientales corrosivas diferentes y variables.

Sobre la base de la teoría y la experiencia práctica con estructuras marinas, en total se pueden identificar once zonas de corrosión diferentes de las estructuras eólicas marinas. Las zonas más críticas son la zona de salpicadura/marea y los compartimientos cerrados llenos de agua de mar (por ejemplo, la parte interna de una estructura monopile). Las especificaciones de diseño para estructuras de acero definen un margen de corrosión. En caso de corrosión uniforme, esta es una herramienta de diseño aplicable. Sin embargo, cuando se producen mecanismos locales de corrosión como la corrosión microbiana (MIC), la corrosión galvánica o la fatiga por corrosión, se debe evaluar la integridad estructural de la estructura de acero. El diseño de la estructura eólica marina está determinado por la carga de fatiga. Los defectos locales, como el ataque por picadura, pueden actuar como sitios de iniciación para el agrietamiento por fatiga. Por esta razón, se debe prestar especial atención a los defectos locales en los cimientos y la estructura de la torre.

Riesgos de corrosión en las turbinas eólicas costa afuera actualmente utilizadas

El mercado de la energía eólica marina es joven, en comparación con los mercados de petróleo y gas en alta mar; el primer parque eólico marino se instaló en 1991. La lección más importante aprendida de los aerogeneradores marinos de primera generación es: los aerogeneradores basados ​​en tecnología terrestre no son adecuados para aplicaciones marinas. El primer parque eólico marino, “Horns Rev”, sufrió una falla importante en el recubrimiento de ochenta cimentaciones de aerogeneradores. El revestimiento de las piezas de transición se rompió y resultó en costos inesperados de reparación y mantenimiento. El motivo fue una combinación de selección de recubrimiento errónea y aplicación incorrecta del recubrimiento. Esto señala el problema clave: una falta de conformidad entre el fabricante, el aplicador de recubrimiento y el proveedor de recubrimiento.

Otros problemas relacionados con la corrosión reportados son sistemas de protección catódica defectuosos, corrosión de los soportes de embarcaciones por combinación de desgaste, impacto y agua de mar y corrosión de componentes de la estructura secundaria como escaleras y barandillas. El impacto de los daños por corrosión varió de un aumento de los riesgos de seguridad para el personal de mantenimiento a la reevaluación de la integridad estructural de la estructura de la cimentación debido al ataque de picaduras locales.

Se ha observado un ataque de corrosión local por MIC en la superficie interna de diferentes cimientos de monopiles en diferentes lugares del Mar del Norte. Se detectó un ataque de corrosión local en la superficie interna del monopile desprotegido y se detectó un ataque de corrosión local. Hasta entonces, el área interna era una caja negra: el seto estaba sellado para reducir y detener el proceso de corrosión interna. Hoy en día, los procesos de CIM dentro de las fundaciones monopile aún no se conocen con mucho detalle y requieren más investigación para encontrar medidas de control óptimas.

La especificación de la protección contra la corrosión para estructuras eólicas marinas específicas sigue siendo un problema. Las normas aplicadas para los parques eólicos marinos europeos varían desde las especificaciones relacionadas en tierra hasta las derivadas de las especificaciones de petróleo y gas en alta mar. Sobre la base de las experiencias con fallas de recubrimiento y protección catódica, existe la necesidad de una especificación uniformemente aceptada. Hasta la fecha, se carece de  tal especificación.

Biofouling en estructuras marinas

Las construcciones costa afuera son atractivas para las especies de bioincrustaciones. La bioincrustación puede resultar en un aumento de los costos debido a las medidas antiincrustantes que deben tomarse: inspección y mantenimiento exhaustivos, creación de microambientes que desalientan la corrosión microbiana y criterios de diseño más intensos como consecuencia de la carga extra hidrodinámica y de peso.

En general, se describen cuatro etapas diferentes del proceso de bioincrustaciones en el agua de mar. Estos pueden tener lugar en diferentes marcos de tiempo. La primera etapa comienza casi instantáneamente tras la inmersión con la formación de una capa acondicionadora de materia orgánica disuelta, como las glicoproteínas y los polisacáridos. Posteriormente, una capa llamada biopelícula puede formarse con bacterias colonizadoras y microalgas. Horas o días más tarde, puede formarse una comunidad más compleja que incluye productores primarios multicelulares y pastores, por ejemplo esporas de algas, hongos marinos y larvas de hidroides, briozoos y percebes. Si el tiempo y las condiciones ambientales lo permiten, tales comunidades pueden evolucionar hacia capas diversas y, en ocasiones, muy gruesas, con organismos que presentan incrustaciones duras (percebes, mejillones, gusanos tubulares, corales, etc.) y grandes poblaciones de incrustaciones blandas como ascidians, hidroides y macro algas. Sin embargo, debe mencionarse explícitamente que en un entorno natural el proceso de bioincrustación es muy variable y nunca sigue exactamente esta representación esquemática. El proceso está influenciado por muchos factores abióticos, como la salinidad, el contenido de nutrientes, la intensidad y duración de la luz solar, las corrientes y la temperatura.

En los parques eólicos existentes, actualmente no se aplican técnicas antiincrustantes en los cimientos. En esta situación, la zona submarina de acero no recubierto y el sistema de recubrimiento en la pieza de transición son susceptibles a la contaminación biológica. Especialmente el área de contacto del barco es una subestructura que por razones de seguridad puede necesitar atención adicional con respecto a la prevención de incrustaciones.

Se debe tener en cuenta la bioincrustación en cimientos flotantes y sistemas de mooring al evaluar la vida útil de la construcción. Los cálculos de las cargas de diseño de los cimientos de las turbinas eólicas marinas comúnmente aplican un espesor máximo de capa de bioincrustación de aproximadamente 200 mm para condiciones de carga extremas. Un modelo de cálculo de carga también tomaría en cuenta el peso y la carga hidrodinámica (corriente y carga de onda) por bioincrustación. A primera vista, parece suficiente un valor de 200 mm de espesor máximo de capa de bioincrustación. Sin embargo, para poder deducir un espesor de capa de bioincrustación más confiable dependiendo de la ubicación, deben realizarse controles regulares durante un período de veinte años. La bioincrustación en los sistemas de amarre puede influir adicionalmente en el comportamiento hidrodinámico por el mayor diámetro de estas cuerdas de sujeción.

La bioincrustación puede suponer un riesgo para las estructuras eólicas marinas en los siguientes casos:

• Mayor carga de arrastre. El perfil hidrodinámico de una capa de bioincrustación se desvía fuertemente del perfil de la superficie plana de una estructura. El crecimiento extenso, en forma de colonias largas como mejillones, algas y otros macroorganismos blandos y alargados que se mueven junto con la corriente, a veces puede resultar en una carga de arrastre inesperadamente alta. Sin embargo, la bioincrustación puede no representar necesariamente un riesgo para la carga mecánica en los cimientos en condiciones de corriente de marea moderada.

• Influencia sobre la protección catódica. Otro efecto del biofouling es la cobertura de los ánodos, que afecta la función del sistema de protección contra la corrosión catódica. Para la inspección visual en el sitio (inspección de la soldadura, mediciones del espesor de la pared) se debe quitar una capa de bioincrustación.

• Influencia sobre el MIC. La bioincrustación crea microambientes alentando la corrosión microbiana (MIC). El conocimiento sobre los procesos de MIC dentro de las estructuras monopiles es aún escaso y necesita mayor estudio para una evaluación adecuada de los riesgos en caso de falla debido a la corrosión por picadura.

• Seguridad y accesibilidad. Por razones de seguridad, se debe evitar la contaminación biológica en las escaleras y en el área de contacto con la embarcación, para garantizar el acceso seguro del personal de mantenimiento a la cimentación y la turbina eólica.

Existen varias técnicas que se pueden aplicar para prevenir o limpiar las incrustaciones biológicas en las superficies: recubrimientos antiincrustantes, métodos electroquímicos y físicos para el control de incrustaciones, limpieza de superficies por robots o herramientas manuales. Se recomienda inspeccionar la estructuras y los ánodos después de un período de 5 a 10 años. La inspección visual y la cuantificación de la composición de ensuciamiento y el espesor se pueden combinar con la limpieza regular de la superficie externa.

Teniendo en cuenta los tres tipos de cimientos de aerogeneradores (Monopile, Jacket y Gravity based), no se esperan diferencias claras en el asentamiento y/o desarrollo de las bioincrustaciones. Los materiales básicos utilizados en la base son igualmente susceptibles de ensuciarse en inmersión. Los recubrimientos de control de incrustaciones pueden aplicarse a todo tipo de materiales. Además, las técnicas de limpieza para eliminar las incrustaciones no difieren sustancialmente entre los tres tipos de estructuras de cimientos.

Source:

Callow, J. A., & Callow, M. E. (2011). Trends in the development of environmentally friendly fouling resistant marine coatings. Nature Communications.

P. Ault, “The use of coatings for corrosion control on offshore oil structures,” Protect. Coatings Europe, Vol. 11, No. 4, pp. 42-46 (2006).

Buck, Bela H. and Langan, Richard, eds (2017):       Aquaculture Perspective of Multi-Use Sites in the Open Ocean: The Untapped Potential for Marine Resources in the Anthropocene / B. Buck and R. Langan  (editors) , Springer International Publishing, 404 p., ISBN: 978-3-319 51159-7.

K. Mühlberg, “Corrosion protection for windmills on-shore and off shore,” Protect. Coatings Europe, Vol. 9, No. 4, pp. 30-35 (2004).

Tao Yan & Wen Xia Yan (2003) Fouling of Offshore Structures in China-a Review, Biofouling, 19:sup1, 133-138.

[...]