Uso del hormigón en las plataformas eólicas flotantes
Fuente: Energías Renovables Marinas
El recurso mundial de energía eólica marina es enorme. Según un informe de la Agencia Europea de Energía, se proyecta que el potencial 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 km2. En EE.UU. según lo evaluado por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) a 50 millas náuticas de la costa, el potencial de energía eólica marina es de 4150 GW, se podrían aprovechar 5 MW por km2.
Estos potenciales de energía eólica son mucho más de lo necesario para satisfacer las demandas de electricidad en Europa y EE.UU. En China se estima que el potencial de energía eólica marina es de 750 GW sobre su área cercana a la costa a una profundidad inferior a 30 m y de varios miles de GW para las zonas entre 30-100 m 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 es mucho más alto que en tierra, su competitividad se vuelve comparativamente más baja a pesar del mayor rendimiento de electricidad por la operación en alta mar. En general, debido a su costo las turbinas eólicas fijas en alta mar deben construirse en áreas marinas donde las profundidades son menores que 50 m. Eso limita la instalación de turbinas eólicas en las áreas marinas más lejanas donde las velocidades del viento son a menudo más altas.
Con el fin de poder trabajar en aguas más profundas, en los últimos diez años han aparecido muchos nuevos tipos de plataformas para turbinas eólicas, como Tri-Floater, Windfloat, Hywind y Blue H. 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. La cuestión clave sigue siendo la competitividad económica contra la producción de electricidad basada en combustibles fósiles.
Estas plataformas flotantes usan comúnmente acero como materiales de construcción. Debido al efecto corrosivo y la 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 pero debe ser inspeccionada y mantenida regularmente. Una plataforma de acero para una turbina eólica marina de 5 MW requiere al menos 1000 ton de acero y puede alcanzar las 2000 ton, lo que constituye la mitad o más del peso de acero de toda la unidad eólica marina por lo tanto es una parte considerable del costo de construcción.
Existe una larga historia del hormigón armado como material para la construcción marina. Durante la Primera Guerra Mundial, muchos barcos fueron construidos de hormigón reforzado debido a la escasez de acero y en la Segunda Guerra Mundial, muchos barcos de hormigón fueron construidos con una capacidad de carga de hasta 140.250 toneladas. El hormigón ha sido reconocido como un material adecuado para plataformas para la 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 las buenas características químicas del hormigón contra el ambiente corrosivo marino y la tecnología de pretensado que evita el daño por fatiga.
A continuación se evaluarán una serie de aspectos respecto de la construcción de plataformas de hormigón flotantes de larga duración. 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. Todo el dispositivo debe tener la capacidad de sobrevivir en condiciones climáticas extremas.
Para este propósito, la plataforma debe tener:
- Suficiente estabilidad contra el momento de inclinación de la carga de viento en las palas de la turbina y la torre.
- 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.
- La plataforma debe tener una integridad estructural confiable y una resistencia suficiente para resistir las cargas ambientales marinas, causadas por las olas oceánicas y el efecto corrosivo y erosivo marino
La mayoría de las construcciones en hormigón marino tienen forma de barcaza por lo tanto, pueden estar sujetas a un momento de flexión considerable en las olas. Se pueden producir tensiones altas 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 en forma de barcaza, el volumen de hormigón 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. La construcción también se vuelve sólida sin riesgo de pandeo debido a las cargas de compresión.
Costo de la construcción
Según las experiencias de las primeras construcciones marinas con hormigón, el volumen de material requerido normalmente será del 25-30% del desplazamiento. En Europa, el precio del hormigón armado para la construcción de un edificio es de aproximadamente € 200/ton. Además, el costo de construcción para el sistema de amarre se estima en un millón de euros para una profundidad inferior a 100 m. En la actualidad, el costo del diseño y la construcción de las bases eólicas marinas fijadas al fondo marino es de € 1/2 millón/MW. Esto corresponde a los casos de profundidades menores 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 para un uso posterior.
Vida útil
El ambiente marino es corrosivo y erosivo para las construcciones de hormigón armado. El agua de mar contiene una cantidad de sales que participan en las reacciones químicas y llevan a la degradación a largo plazo del material. La reacción entre el CO2 del aire y la alcalinidad del hormigón reduce el pH en la superficie expuesta, permitiendo que tenga lugar una mayor carbonatación a mayor profundidad. Esto puede hacer que el acero pierda la protección ambiente alcalino y se vea expuesto a la corrosión ácida.
El hormigón expuesto al agua de mar puede desarrollar capas protectoras en su superficie, principalmente de aragonita (carbonato de calcio) y brucita (hidróxido de magnesio). Estas capas protegen la superficie, modificando la permeabilidad del hormigón, reduciendo el contacto de los cloruros del agua de mar con las varillas de acero de las armaduras.
Esta situación puede convertirse en un problema grave para muchas construcciones de hormigón además se produce el desprendimiento de mampostería en la zona de salpicadura debido al impacto del agua de mar y la presencia de oxígeno. Sin embargo, esa zona de salpicadura puede cubrirse con algún material protector, como un material compuesto de resina epoxi y fibra de vidrio, que también actúa como refuerzo de la estructura.
Muchas construcciones de hormigón en tierra tienen una vida útil de 100 años, las estructuras de hormigón en alta mar instaladas se diseñan para 25-70 años. El concepto de plataforma eólica flotante se puede mejorar con las técnicas actualmente disponibles para obtener una mejor resistencia contra el efecto corrosivo y erosivo marino para tener una mejor vida útil.
El hormigón vs. el acero
Una construcción de hormigón está casi libre de mantenimiento y solo se requiere inspección visual, mientras que una construcción de acero necesita controles periódicos y tareas de mantenimiento. La baja conductividad térmica en combinación con una excelente resistencia al impacto permiten que el uso de hormigón sea favorable en instalaciones en contacto con aguas a muy baja temperatura.
Las estructuras de hormigón presentan ventajas durante su construcción pues la mayor parte del trabajo no requiere mano de obra cualificada y las materias primas están disponibles a nivel local. Se pueden construir plataformas con hormigón en lugares con muy poca infraestructura; esto se ajusta muy bien a los países con una limitada industria del acero.
El costo de la energía es un parámetro importante con respecto al aspecto ambiental y la sostenibilidad. Como se mencionó la distribución de tensiones en la construcción depende en gran medida de la distribución interna del lastrado y del diseño detallado de la construcción. Tanto el costo de construcción como el costo de energía se pueden reducir mediante el uso de hormigón con el menor refuerzo posible. El precio del hormigón es normalmente inferior al 10% del acero El hormigón puede usarse también como peso de lastre.
Flotante de acero
De las 33 plataformas 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 y la carga de la turbina eólica.
– El ensamblaje puede ejecutarse relativamente rápido si los componentes están prefabricados (posicionamiento de las piezas y luego se sueldan).
– Las plataformas son más livianas 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 instalación, lo cual es un desafío para la producción en masa.
• Las piezas pesadas y grandes necesitan ser transportadas al lugar de construcción, con lo cual se deberá verificar y programar la logística de traslado (acceso adecuado a carreteras, ferrocarriles y vías fluviales).
• Área de almacenamiento adecuada en el puerto.
– Fluctuación de precios, planificación difícil.
– Se requiere equipo especializado; máquinas de soldar a gran escala y grúas con capacidad de elevación suficiente.
Flotante de hormigón
El uso de hormigón permite la elección entre hormigón prefabricado o el hormigón in situ.
Los proyectos Floatgen y el parque eólico flotante FORKARD de Fukushima usaron el hormigón como material primario y 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).
– No se necesita ningún equipo especializado, como soldadura a gran escala o máquinas especiales, esto repercute en un menor costo en la construcción.
– Bajos costo del hormigón.
– 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, mantenimiento y 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 no se puede trabajar 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
A medida que la plataforma se hace más grande, su rendimiento dinámico es mejor. Se espera que la potencia nominal de las turbinas eólicas aumenten de 8 MW en 2020 a 10 MW en 2030. Este concepto de plataforma se ajusta a la tendencia de turbinas eólicas de gran porte, ya que de esta forma se reducen la cantidad de turbinas y su instalación es memos costosa.
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 no sería perjudicial a las plataformas de hormigón.
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.