El hormigón y la eólica flotante

El recurso mundial de energía eólica marina es enorme. Según un informe de la Agencia Europea de Energía, se proyecta que el potencial técnico de la energía eólica sobre las aguas territoriales de la UE sea de 75000 TWh anuales para 2030, lo que supondría asumir una potencia instalada de 10 MW por kilómetro cuadrado. En EE.UU., a 50 millas náuticas de la costa, el potencial de energía eólica marina es de una potencia instalada total de 4150 GW, suponiendo 5 MW instalados por kilómetro cuadrado, según lo evaluado por NREL. Obviamente, estos potenciales de energía eólica son mucho más de lo necesario para satisfacer las demandas de electricidad en Europa y EE.UU. Se estima que el potencial de energía eólica marina en China es de 750 GW sobre su área cercana a la costa con una profundidad de agua inferior a 30 m y de varios miles de GW para las zonas entre 30-100m de profundidad.

Hoy en día, la mayoría de las turbinas eólicas marinas instaladas se denominan de tipo fijo, es decir, que sus estructuras de soporte se fijan al fondo marino. El costo de construcción de este tipo de dispositivo es mucho más alto que en tierra y, por lo tanto, su competitividad se vuelve comparativamente más baja a pesar del mayor rendimiento de electricidad por la operación en alta mar. En general, las turbinas eólicas fijas en alta mar deben construirse en áreas marinas donde las profundidades del agua son menos profundas que 50 m, principalmente debido a la razón del costo. Eso limita la instalación de turbinas eólicas en las áreas marinas mas lejanas a las costas, donde las velocidades del viento son a menudo más altas.

Con el fin de obtener acceso a las aguas más profundas, han aparecido muchas soluciones de soporte flotante para turbinas eólicas en alta mar en los últimos diez años, como Tri-Floater, Windfloat, Blue H, Hywind, etc. El concepto Hywind se ha convertido en el primero instalado a gran escala en el mundo. De hecho, la tecnología costa afuera requerida para la turbina eólica marina flotante es hoy una realidad después de más de 30 años de desarrollo. Pero, la cuestión clave sigue siendo la competitividad económica contra la producción de electricidad basada en combustibles fósiles.

Estas soluciones de soporte flotante mencionadas anteriormente usan comúnmente acero como materiales de construcción. Debido al efecto corrosivo y de carga de fatiga en el ambiente marino, una construcción marina de acero generalmente está diseñada de manera óptima para una vida útil de 20 a 30 años y debe ser inspeccionada y mantenida regularmente. Una plataforma de acero para una turbina eólica marina de 5 MW requiere al menos 1000 toneladas de acero, incluso hasta 2000 toneladas, lo que constituye la mitad o más del peso de acero de toda la unidad eólica marina y por lo tanto, una parte considerable del costo de construcción.

La historia del hormigón armado como material de construcción para la construcción marina es relativamente larga. Bajo la Primera Guerra Mundial, muchos barcos fueron construidos de hormigón reforzado debido a la escasez de acero y bajo la Segunda Guerra Mundial, muchos barcos de hormigón fueron construidos con una capacidad de carga de hasta 140250 toneladas. El hormigón ha sido reconocido como un material adecuado para construcciones de explotación petrolera en alta mar. Existen más de 40 estructuras de hormigón en alta mar. Las estructuras de hormigón en alta mar instaladas hasta la fecha han sido diseñadas para 25-70 años de vida, gracias a la buena propiedad química del material contra el ambiente corrosivo marino y la tecnología de pretensado para evitar el daño por fatiga.

A continuación, se introducirán una serie de puntos sobre la construcción de plataformas flotantes para la eólica marina con hormigón como material de construcción para una larga vida útil. Del mismo modo se mencionaran algunos de las ventajas e inconvenientes de la construcción en hormigón y/o acero.

Descripción del concepto

La tarea principal de una plataforma flotante es asegurar el funcionamiento normal de la turbina eólica en el medio marino. Ciertamente, todo el dispositivo debe tener la capacidad de sobrevivir en condiciones climáticas extremas. Para este propósito, la plataforma debe tener en primer lugar la suficiente estabilidad contra el momento de inclinación de la carga de viento en las palas de la turbina y la torre. En segundo lugar, los movimientos de la plataforma inducidos por las olas del mar deben ser lo más pequeños posible para reducir la carga inducida por la aceleración en la turbina eólica y evitar la colisión entre la punta de la pala y la torre de la turbina eólica. Por último, pero no menos importante, es que la plataforma debe tener una integridad estructural confiable y una resistencia estructural suficiente para resistir las cargas ambientales marinas, principalmente en términos de efecto de olas oceánicas, efecto corrosivo y erosivo marino.

La mayoría de las construcciones en hormigón marino tienen forma de barcaza y, por lo tanto, pueden estar sujetas a un momento de flexión considerable en las olas. Se pueden inducir tensiones de alta tensión, que pueden causar daños por fatiga en la estructura. Normalmente se requiere un tratamiento pretensado para tales construcciones con el fin de reducir el nivel de estrés, lo que a su vez puede aumentar considerablemente el costo del edificio. Este tipo de tratamiento puede ser necesario para el refuerzo de algunos detalles de la estructura en la plataforma actual, pero no a gran escala. Para una construcción marina en forma de barcaza, el volumen de hormigón requerido es normalmente del 25% al ​​30% de su desplazamiento. Con esta tasa de volumen de material, la construcción de la plataforma actual será lo suficientemente fuerte ya que la construcción es compacta con su eje asimétrico forma del cuerpo La construcción también se vuelve sólida sin riesgo de pandeo debido a las cargas de compresión.

Coste de construcción

Según las experiencias de las primeras construcciones de hormigón marino, el volumen de hormigón requerido normalmente será del 25-30% del desplazamiento. En Europa, el precio del edificio para la construcción de hormigón armado es de aproximadamente 200 euros/ton. Además, el costo de construcción para el sistema de amarre se estima en 1.0x10⁶ euros para una profundidad de agua inferior a 100 m. Esto corresponde a 0.5x10⁶ euros/MW para el suministro completo de cimientos de diseño y construcción, que es comparable al costo actual de las bases eólicas marinas fijas en el fondo.

Pero el costo mencionado anteriormente de las bases eólicas marinas fijas en el fondo está restringido a la profundidad del agua por debajo de 50 m. En realidad, este tipo de costo aumenta con aguas más profundas y costará casi el doble para la profundidad del agua entre 40 m y 50 m que para la profundidad del agua entre 20 m y 30 m. Mientras tanto, el costo de construcción de la plataforma flotante es insensible a la profundidad del agua y la del sistema de amarre aumentará con la profundidad del agua a una tasa mucho menor que la de los cimientos eólicos marinos fijos en el fondo. Por lo tanto, la ventaja de costo con la plataforma flotante actual es obvia para operar en áreas marinas con una profundidad de agua de más de 50 m.

La plataforma de hormigón puede tener una vida útil de hasta 100 años o más. Eso significa la posibilidad de ser reutilizado de 3 a 4 veces después de los primeros 20 años en los cuales la turbina eólica a bordo haya finalizado su vida útil. Sin embargo, deben prepararse arreglos cuidadosos para la reutilización en la etapa de diseño para ser rentable en una reinstalación posterior.

Vida útil 

El ambiente marino es corrosivo y erosivo para las construcciones de hormigón armado. El agua de mar contiene una cantidad de iones químicos que pueden participar en las reacciones químicas y podrían conducir a la degradación a largo plazo del material. El ácido de la reacción entre el CO₂ en el aire y los iones hidroxilo en el hormigón reduce la alcalinidad del mismo en la superficie expuesta (cubierta), permitiendo que tenga lugar una mayor carbonatación a mayor profundidad. Esto puede hacer que el acero incrustado pierda la protección del ambiente alcalino y se vea expuesto a la corrosión.

Sin embargo, el hormigón expuesto al agua de mar puede desarrollar capas protectoras delgadas en su superficie, que son principalmente aragonito (carbonato de calcio) y brucita (hidróxido de magnesio). Estas capas protegen la superficie, modificando la permeabilidad del hormigón y, por lo tanto, reduciendo la penetración de cloruros en el refuerzo de acero. Puede convertirse en un problema grave para muchas construcciones de hormigón el desprendimiento que se produce en la zona de salpicadura debido al abundante suministro de oxígeno y agua de mar. Sin embargo, la zona de salpicadura puede cubrirse fácilmente con algún material protector, como con un laminado compuesto de epoxi de vidrio, que al mismo tiempo puede actuar como refuerzo de la estructura.

Muchas construcciones de hormigón en tierra tienen una vida útil de diseño de 100 años y las estructuras de hormigón en alta mar instaladas hasta la fecha han sido diseñadas para 25-70 años. Como se discutió anteriormente, el concepto de plataforma eólica flotante se puede mejorar para obtener una mejor resistencia contra el efecto corrosivo y erosivo marino con las técnicas actualmente disponibles y para tener una vida útil mucho más larga que las construcciones de hormigón marino actualmente existentes.

El hormigón vs. el acero.

Como se mencionó anteriormente, el hormigón tiene buenas propiedades químicas para resistir el efecto corrosivo marino. Con un diseño adecuado, la vida útil de una construcción de hormigón puede llegar a ser de hasta 100 años. Eso proporciona la posibilidad de reutilización. En realidad, una construcción de hormigón esta casi libre de mantenimiento y solo se requiere inspección visual, mientras que una construcción de acero necesita inspección y mantenimiento periódicos costosos. La baja conductividad térmica y las propiedades mejoradas del material con temperatura decreciente también son características importantes, que en combinación con una excelente resistencia al impacto permiten que el uso de hormigón sea favorable para la instalación en aguas con hielo.

También hay ventajas con el hormigón en el contexto de la construcción. La mayor parte del trabajo de construcción no requiere mano de obra cualificada y los materiales requeridos generalmente están disponibles a nivel local. Se pueden construir plataformas con hormigón en áreas verdes con muy poca infraestructura. Todo esto se ajusta a los países/regiones con una industria de construcción de acero limitada para construir el tipo actual de plataformas flotante en gran número.

El hormigón puede usarse también como peso de lastre. De hecho, el precio del hormigón es normalmente inferior al 10% del acero. El costo de la energía para fabricar el hormigón y llevarlo al mercado es de 1 MJ/kg, mientras que es aproximadamente 30 veces mayor para el acero. El costo de la energía es un parámetro importante con respecto al aspecto ambiental y sostenible. Como se mencionó anteriormente, la distribución de tensiones en la construcción depende en gran medida de la distribución interna del lastrado y del diseño detallado de la construcción. Por lo tanto, tanto el costo de construcción como el costo de energía se pueden reducir mediante el uso de hormigón con el menor refuerzo posible.

Flotante de acero

De las 33 subestructuras diferentes que se presentan en la Revisión de la energía eólica marina flotante: mercado y tecnología de Carbon Trust, solo seis usan el hormigón como material primario, lo que hace que el acero sea el material más ampliamente aplicado. Las ventajas y desafíos importantes de la elección del material se presentan a continuación.

Ventajas:

-Establecido en la industria eólica marina:

• Know-how existente.
• Existen soluciones y estándares probados para evitar problemas relacionados con la corrosión debido al agua salada y al aire salado, la carga de la turbina eólica, etc.

-El ensamblaje puede ejecutarse relativamente rápido si los componentes están prefabricados (consiste en operaciones de soldadura y posicionamiento de las piezas solamente).

-Son posibles subestructuras más ligeras (en comparación con el hormigón).

Desventajas:

-Componentes/piezas de gran dimensión:

• Necesita ser construido en acero a gran escala, generalmente no en el lugar de construcción, lo cual es un desafío para la producción en masa.
• Las piezas pesadas/grandes necesitan ser transportadas al lugar de construcción, acceso adecuado (carretera, ferrocarriles, vías fluviales) requerido.
• Área de almacenamiento adecuada en el puerto.

-Material costoso, fluctuación de precios, planificación difícil.

-Se requiere equipo especializado (por ejemplo, máquinas de soldar a gran escala y grúas con capacidad de elevación suficiente), preferible astillero.

Flotante de hormigón

El uso de hormigón generalmente permite la elección entre partes de hormigón  prefabricado o hormigón in situ. Los proyectos Floatgen y la subestación del parque eólico flotante FORKARD de Fukushima utilizan el hormigón como material primario. Ambos proyectos seleccionaron la fabricación de hormigón in situ en lugar de hormigón prefabricado.

Ventajas:

-Suministro de hormigón adaptable a las condiciones locales y los requisitos del proyecto:

• Hormigón premezclado.
• Planta móvil de procesamiento por lotes.
• Instalación de una planta de dosificación estacionaria en el lugar de construcción.

-El contenido local está asegurado (mano de obra local, cadena de suministro local).

-Ningún equipo especializado, como la soldadura a gran escala, máquinas, etc. es necesario (construcción a menor coste).

-Bajos costes del hormigón como materia prima.

-Ajustes simples de aplicar debido a la variabilidad de proceso de fundición en obra.

-Solo hormigón premezclado: menos área de almacenamiento requerido (no se debe almacenar materia prima para el procesamiento por lotes en el puerto).

Desafíos:

-Uso limitado en la industria eólica marina, lo que resulta en menos experiencia con los pasos de producción, O&M, procedimientos de desmantelamiento.

-Las grandes dimensiones de los flotadores de hormigón requieren una gran área de construcción para la producción en masa.

-Alto peso de los flotadores de hormigón (restricciones para la selección del sitio de construcción debido a la capacidad de carga y espacio).

-El hormigón no puede soportar cargas de tensión, por lo tanto, se necesitan procedimientos adicionales (por ejemplo, pretensado, evitando acciones de volteo).

-Amplia gama de restricciones climáticas para el proceso de construcción (por ejemplo, sin construcción durante heladas o fuertes lluvias).

-El proceso de mezcla en el sitio de construcción posiblemente sea más impreciso (es necesario un control de calidad adicional).

Conclusiones

En general, a medida que la plataforma se hace más grande, su rendimiento dinámico sería mejor con el concepto de plataforma actual. Se espera que la potencia nominal de la turbina eólica aumente a 8 MW en 2020 y a 10 MW en 2030. Obviamente, este concepto de plataforma se ajusta a la tendencia de desarrollo de la turbina eólica con respecto al tamaño.

Con el tiempo, una construcción marina puede estar cubierta de bacterias, algas y varios invertebrados. Esto puede ser problemático para las construcciones de acero, pero sería ventajoso para el concepto actual de plataforma de hormigón.

La ventaja de coste con la plataforma flotante actual se hace evidente. La larga vida útil esperada del hormigón brinda la posibilidad de reutilizar de tres a cuatro veces más la estructura flotante, lo que de alguna manera satisfará los requisitos futuros sobre desarrollo sostenible y respetuoso con el medio ambiente.

Source: 

Matha, D., Brons-Illig C., Mitzlaff, A. and Schefler R. Fabrication and installation constraints for floating wind and implications on current infrastructure and design. Energy Procedia. 2017 doi: 10.1016/j. egypro.2017.10.354.

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