La industria de energía proveniente de
aerogeneradores offshore se encuentra en un momento óptimo desde su aparición. Tras
haber dependido varias décadas de subsidios europeos, los avances tecnológicos
y la estandarización de conocimientos debido a la inmensa cantidad de recursos
invertidos en la industria han permitido rebajar el coste de esta energía verde
hasta un punto en el que es competitivo frente a la energía proveniente de los
combustibles fósiles. Sin embargo, el hecho de que sean los gobiernos
nacionales los que cedan el terreno marino para el desarrollo del parque,
significa que este tipo de energía aún está sujeta a decisiones políticas.
En este artículo se trata de introducir al
lector en el diseño geotécnico de cimentaciones para aerogeneradores offshore.
El comportamiento de este tipo de estructuras es de alta complejidad debido a
la peculiaridad de las cargas a las que la estructura está sometida. Las
tormentas, los tifones y los terremotos provocan cargas cíclicas complejas
sobre la estructura y éstas son transmitidas por la subestructura a la
cimentación, que está en contacto directo con el subsuelo marino. Generalmente
el tipo de cimentación es elegido tras una serie de fases de estudios
preliminares y de concepto en las que el subsuelo marino y la profundidad del
mar tienen gran importancia.
Figura 1 Representación conceptual de un
aerogenerador offshore en un terreno aleatorio y con subestructura y
cimentación indeterminadas.
La estructura donde se apoyan los
aerogeneradores marinos consta de una parte llamada subestructura y de la
cimentación. Existen diferentes tipos de subestructuras que soportan los aerogeneradores
y están anclados al suelo marino mediante las cimentaciones. Entre las
subestructuras más utilizadas están el macro pilote, los trípodes y las
chaquetas. La subestructura condiciona el modo en que las cargas son transmitidas
a la cimentación. Los diferentes tipos de cimentaciones que son utilizados en
la industria son los (macro) pilotes, los cimientos de gravedad y las cubetas
de succión En el caso de los cimientos de gravedad, un gran esfuerzo cortante
es transmitido y debe ser resistido por la base. Este tipo de cimientos son
generalmente instalados en terrenos competentes para resistir las grandes
cargas de compresión. En el caso de los macro pilotes una gran carga horizontal
y momento son transmitidos al terreno mediante el movimiento lateral del mismo.
Por último, las chaquetas transmiten a la cimentación cargas axiales de
compresión y de tensión.
Figura 2 Representación conceptual de
varios de los diferentes tipos de cimientos y subestructuras más conocidos para
aerogeneradores offshore.
El diseño de cimentaciones para aerogeneradores
offshore requiere de un detallado conocimiento geofísico y geotécnico del suelo
y subsuelo marinos, por lo que se lleva a cabo una o varias campañas de investigación
realizadas desde un buque.
Figura 3 Buque “Fugro
Synergy”, especializado en investigaciones geofísicas
y geotécnicas (https://www.fugro.com).
En la campaña geofísica se investiga la
batimetría del suelo, la profundidad marina, la estratigrafía, las posibles fallas
y otros peligros geotécnicos que se puedan encontrar en el parque por medio de
técnicas geofísicas como las investigaciones sísmicas multicanal o los ecosondas.
Figura 4 Ejemplo de batímetría
de un parque de aerogeneradores offshore en el mar del norte (https://infrastructure.planninginspectorate.gov.uk).
En la campaña geotécnica se investiga la
estratigrafía del suelo del parque y las características geotécnicas de las
diferentes formaciones, que son identificadas mediante perforaciones, obtención
de muestras del terreno y/o mediante la técnica de penetración de cono o CPT.
Diferentes ensayos en el laboratorio en las muestras obtenidas son llevados a
cabo para identificar las características geotécnicas del terreno. Entre los
más avanzados destacan tests triaxiales
cíclicos y tests de columna resonante.
Figura 5 Ejemplo de hoja de registro de
una perforación en el mar báltico (Confidencial).
El diseño geotécnico de cimientos para aerogeneradores
offshore requiere de una clara identificación de las cargas que actúan sobre la
cimentación en diferentes escenarios como el estado límite último, el estado
límite de servicio, en algunos países como en Alemania se requiere asumir un
estado de tormenta de 35 horas y en países con riesgo sísmico como Estados
Unidos o Taiwán se requiere asumir el estado de cargas ante un terremoto. Además,
el diseñador debe de asegurar que el sistema completo no entrará en resonancia
con las frecuencias de rotación de las aspas, teniendo una banda muy limitada
de frecuencias de respuesta de la estructura. Todo lo explicado anteriormente
requiere una serie de iteraciones con el fabricante de aerogeneradores, que suelen
tener una duración de 3 a 6 semanas, individualmente.
El diseñador también tiene que tener en
cuenta que los cimientos puedan ser instalados en el subsuelo marino, para ello
utilizando diferentes técnicas que pueden influir en la interacción de la
estructura con el terreno y alterando su rigidez, teniendo un impacto directo
en la frecuencia del sistema.
Figura 6 Representación conceptual de la
delgada franja de frecuencias (soft-stiff) en las que
se diseñan el sistema aerogeneradorsubestructura+cimiento
(ref. /1/).
Generalmente el sistema es diseñado para la franja “soft-stiff”,
ya que el diseño en “stiff-stiff” sería altamente
costoso y el diseño en la franja” soft-soft” tendría
una gran amplificación dinámica de de las cargas por oleaje.
En general, en la industria de cimientos para
aerogeneradores offshore el coste de realizar modelos 3D en softwares
comerciales de elementos finitos y la optimización de los diseños es demasiado
alto. Por ello, se recurre a estos modelos en casos muy concretos. Los
diseñadores deben tener una herramienta rápida, segura y eficaz para analizar
el comportamiento de los cimientos en cada posición del parque. En el caso de
los pilotes, la interacción de la estructura con el terreno se simula
generalmente mediante modelos que están basados en la suposición de una viga
sobre un terreno elástico, llamados modelos tipo Winkler.
Esta viga está dividida en elementos, cuyos nodos asumen una rigidez que
depende de la respuesta de la estructura, simulando el efecto no lineal del
terreno. Las curvas de interacción del terreno-estructura aplicados en los
nodos se llaman curvas p-y, y han sido utilizadas durante más de cinco décadas
en la industria del petróleo y gas.
Figura 7 A la izquierda una representación
conceptual del modelo tipo Winkler para analizar la
capacidad lateral de un (macro) pilote, a la derecha ejemplo de curvas de
reacción p-y en los nodos de una representación de un pilote como una viga
(ref. /3/).
En el estado límite último se diseña el
cimiento para transmitir las cargas al terreno debido a un evento singular de
altura de ola con un periodo de retorno de 50 años, en el que el aerogenerador
se encuentra parado. Ha habido casos en los que este evento ha ocurrido durante
los primeros meses de vida del parque eólico, incluso en algunos casos aislados
la altura de ola experimentada en una estructura marina durante una tormenta ha
sido muy superior a la altura de ola de diseño, llegando a los 18.5 metros de
altura y causando daños importantes en la estructura (ref. /2/).
Figura 8 Video de “Monster Wave” en una plataforma petrolífera en el Mar del Norte en 1995 (
En el estado límite de servicio se diseña el
cimiento para transmitir las cargas al terreno mientras el aerogenerador está
en funcionamiento y las cargas cíclicas y transitorias producen una deformación
permanente. El requerimiento en este caso viene por parte del fabricante de aerogeneradores,
que no quiere ver cómo su aerogenerador está inclinado más de 0.5 grados con
respecto a la vertical, debiendo tener en cuenta una tolerancia de inclinación
durante la instalación del cimiento, que suele reducir este margen hasta los
0.25 grados. Este requerimiento se encuentra en un debate constante con todos
los organismos involucrados, en el que los diseñadores y los clientes intentan
elevar este límite ya que el aerogenerador está diseñado para funcionar con
inclinaciones mayores, y el límite puede haber estado impuesto en los inicios
más por un efecto visual, que sería más impactante en aerogeneradores onshore, que por una consecuencia técnica. Los macro
pilotes generalmente disponen de una pieza de transición que se coloca entre el
aerogenerador y el macro pilote que permite corregir la inclinación del mismo
después de la instalación.
Figura 9 Ejemplo de piezas de transición
para London Array Offshore Wind
Farm (http://www.cowi.com).
En los supuestos anteriores, además, el
diseñador debe tener en cuenta el efecto de degradación del terreno debido a
las cargas cíclicas. En países como en Alemania, la norma nacional obliga al
diseñador, además, a considerar un supuesto adicional de una tormenta de una
duración de 35 horas en las que la rotación no elástica acumulada en la
estructura no debe sobrepasar el límite anteriormente mencionado. Las
simulaciones de series temporales de cargas que actúan sobre la estructura
durante la tormenta son calculadas en las iteraciones mencionadas anteriormente
por el fabricante de aerogeneradores mediante modelos complejos.
Figura 10 Ejemplo de momento actuando a
nivel del lecho marino sobre una subestructura de un aerogenerador offshore
durante una tormenta de 35h.
En la comprobación de que el sistema se
encuentra en la estrecha banda permisible de frecuencias y en la comprobación
contra un fallo estructural en estado límite último o en estado límite de
fatiga estructurales, el comportamiento del terreno suele ser simplificado
mediante una linealización de la interacción de la estructura con el terreno.
Esto es debido a que los softwares comerciales de análisis de estructuras
mediante el método de los elementos finitos que permiten el cálculo de la
frecuencia natural de una estructura compleja, no incluyen modelos constitutivos
del terreno avanzados.
Este artículo pretende dar una corta
introducción a la parte geotécnica del diseño de cimentaciones de aerogeneradores
offshore, y a cómo la industria hoy modela la interacción de las mismas con el
terreno. Por este motivo, el objetivo de este artículo no es dar una
explicación técnica y detallada de los diferentes tipos de cimentaciones y
técnicas de instalación de los mismos, o de los modelos de interacción de
estructuras con el terreno, o entrar en profundidad en el diseño de los mismos,
sino proveer al lector de una base y de unas referencias que le motiven a
profundizar en la materia y a leer futuros artículos más concretos y técnicos,
así como a animar al lector a proponer y compartir sus ideas para una industria
en continuo desarrollo.
/1/
Guo, Z., Yu, L., Wang, L., Bhattacharya,
S., Nikitas, G., & Xing,
Y. (2015). Model tests on the long-term dynamic performance of offshore
wind turbines founded on monopiles in sand. Journal
of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 137(4), 041902.
/2/
Hansteen,
O. E., Jostad, H. P., & Tjelta,
T. I. (2003). Observed platform response to a ‘monster’wave. Field
measurements in geomechanics, Oslo, Norway,
15-18.
/3/ DNVGL-ST-0126 “Support structures for wind turbines”, April 2016.