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Cimentaciones de aerogeneradores instalados en el mar

El principal desafo de la energa elica en el mar son los costes de explotacin: el cableadosubmarino y las cimentaciones han provocado que hasta hace poco la energa elica marina fuese una opcincara.

Sin embargo, las nuevas tecnologas de cimentacin y los generadores del orden de megavatios estn a puntode hacer que la energa elica en el mar sea competitiva con los emplazamientos terrestres, al menos en aguasde hasta 15 metros de profundidad.

Dado que generalmente la produccin de los aerogeneradores marinos es un 50 por ciento mayor que la de susvecinos en tierra (en terreno liso), el emplazar los aerogeneradores en el mar puede ser bastante atractivo(vase la pgina sobre condiciones elicas marinas ).

El acero es ms barato que el hormign

Dos compaas de energa danesas y tres empresas de ingeniera llevaron a cabo, durante 1996-1997, un estudio

pionero sobre el diseo y los costes de las cimentaciones de aerogeneradores marinos. El informe conclua que elacero es mucho ms competitivo que el hormign para grandes parques elicos marinos.

Parece ser que todas las nuevas tecnologas resultarn econmicas hasta los 15 m de profundidad como mnimo, yposiblemente tambin a mayores profundidades. En cualquier caso, el coste marginal al desplazarse hacia aguasms profundas es mucho menor de lo que se estim en un principio.

Con estos conceptos, los costes de cimentacin y de conexin a red para las grandes turbinas de 1,5 MW son slodel 10 al 20 por ciento superiores a los correspondientes costes de las turbinas de 450-500 kW utilizadas en losparques elicos marinos de Vindeby y Tun Knob , en Dinamarca.

Vida de diseo de 50 aos

Contrariamente a lo que se suele creer, la corrosin no es algo que preocupe especialmente en las construcciones

de acero en el mar. La experiencia de las plataformas petrolferas marinas ha demostrado que pueden sercorrectamente protegidas utilizando una proteccin catdica (elctrica) contra la corrosin.

La proteccin superficial (pintura) de los aerogeneradores marinos se proporcionar por rutina con una clase deproteccin mayor que para las turbinas instaladas en tierra.

Las plataformas petrolferas marinas se construyen normalmente para durar 50 aos. sta es tambin la vida dediseo de las cimentaciones de acero utilizada en estos estudios.

Turbina de referencia

La turbina de referencia para el estudio es una moderna turbina tripala con el rotor a barlovento y con una altura debuje de unos 55 metros y dimetro de rotor de alrededor de 64 metros.

La altura de buje de la turbina de referencia es pequea comparada con las tpicas turbinas de ese tamaoinstaladas en tierra. En el norte de Alemania la altura de buje tpica de una turbina de 1,5 MW vara de 60 a 80metros. Debido a que la superficies de agua son muy lisas (baja rugosidad ), resulta rentable utilizar torres msbajas. Usted mismo puede verificar estas conclusiones utilizando el programa de clculo de la potencia en unaerogenerador , en el que ya hay un ejemplo de un aerogenerador marino de 1,5 MW.

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La energa en el viento: densidad del aire y rea debarrido del rotor

Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro)actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energa transferida al rotor por el viento depende de la densidaddel aire, del rea de barrido del rotor y de la velocidad del viento.

La animacin muestra cmo una porcin cilndrica de aire de 1 metro de espesor pasa a travs del rotor de unaerogenerador tpico de 1.000 kW.

Con un rotor de 54 metros de dimetro cada cilindro pesa realmente 2,8 toneladas, es decir, 2.300 veces 1,225 kg.

Densidad del aire

La energa cintica de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso). As, la energa cintica delviento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen.

En otras palabras, cuanto "ms pesado" sea el aire ms energa recibir la turbina.

A presin atmosfrica normal y a 15 C el aire pesa unos 1,225 kilogramos por metro cbico, aunque la densidaddisminuye ligeramente con el aumento de la humedad.

Adems, el aire es ms denso cuando hace fro que cuando hace calor. A grandes altitudes (en las montaas) lapresin del aire es ms baja y el aire es menos denso.

Area de barrido del rotor

Un aerogenerador tpico de 1.000 kW tiene un dimetro del rotor de 54 metros, lo que supone un rea del rotor deunos 2.300 metros cuadrados. El rea del rotor determina cuanta energa del viento es capaz de capturar unaturbina elica. Dado que el rea del rotor aumenta con el cuadrado del dimetro del rotor, una turbina que sea dos

veces ms grande recibir 2 2 = 2 x 2 = cuatro veces ms energa. La pgina sobre tamao de los aerogeneradoresle proporcionar ms detalles.

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El efecto del parqueTal y como se vio en la seccin anterior sobre elefecto de la estela , cada aerogenerador

ralentizar el viento tras de s al obtener energa de l para convertirla en electricidad.Por tanto, lo ideal sera poder separar las turbinas lo mximo posible en la direccin de

viento dominante. Pero por otra parte, el coste del terreno y de la conexin de los

aerogeneradores a la red elctrica aconseja instalar las turbinas ms cerca unas de otras.

Distribucin en planta del parque

Como norma general, la separacin entre aero- generadores en un parque elico es de 5 a 9

dimetros de rotor en la direccin de los vientos dominantes, y de 3 a 5 dimetros de rotor

en la direccin perpendicular a los vientos dominantes.

En este dibujo se han situado 3 filas de cinco turbinas cada una siguiendo un modelo

totalmente tpico.

Las turbinas (los puntos blancos) estn separadas 7 dimetros en la direccin de viento

dominante y 4 dimetros en la direccin perpendicular a la de los vientos dominantes.

Prdida de energa debida al efecto del parqueConociendo el rotor de la turbina elica, la rosa de los vientos , ladistribucin de Weibull y

la rugosidad en las diferentes direcciones, los fabricantes o proyectistas pueden calcular la

prdida de energa debida al apantallamiento entre aerogeneradores.

La prdida de energa tpica es de alrededor del 5 por ciento.

http://www.windpower.org/es/tour/wres/wake.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/wake.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/globwin.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/globwin.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/rose.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/weibull.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/weibull.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/shear.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/globwin.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/globwin.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/rose.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/weibull.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/shear.htmhttp://www.windpower.org/es/tour/wres/wake.htm

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Condiciones elicas marinas

Aerogenerador marino de 500 kW en Tun Knob (Dinamarca). Fotografa 1996 VestasWind Systems A/S

Condiciones elicas en el mar

Las superficies de mares y lagos son obviamente muy lisas, por lo que la rugosidad dela superficie marina es muy baja (a velocidades del viento constantes). Con velocidadesde viento crecientes, parte de la energa se emplea en producir oleaje, lo que implica unaumento de la rugosidad. Una vez se han formado las olas, la rugosidad decrece denuevo. Por tanto tenemos una superficie de rugosidad variable (lo mismo ocurre enzonas cubiertas con ms o menos nieve).

Sin embargo, si generalizamos, puede considerarse que la rugosidad de la superficie delagua es muy baja y que los obstculos del viento son pocos. Al realizar los clculosdebern tenerse en cuenta islas, faros, etc. tal y como se tendran en cuenta losobstculos situados en la direccin de donde viene el viento o los cambios de rugosidaden la tierra.

Bajo cizallamiento del viento implica menor altura de buje

Con una baja rugosidad, el cizallamiento del viento en el mar es tambin muy bajo, loque implica que la velocidad del viento no experimenta grandes cambios al variar laaltura del buje del aerogenerador. As pues, puede resultar ms econmico utilizartorres ms bien bajas, de alrededor de 0,75 veces el dimetro del rotor, enaerogeneradores emplazados en el mar, dependiendo de las condiciones locales(normalmente, las torres de los aerogeneradores situados en tierra miden un dimetrode rotor, o incluso ms).

Baja intensidad de las turbulencias = mayor tiempo de vida de los aerogeneradores

El viento en el mar es generalmente menos turbulento que en tierra, por lo que en un aerogenerador situado en elmar se puede esperar un tiempo de vida mayor que en otro situado en tierra.

La baja turbulencia del mar se debe, ante todo, al hecho de que las diferencias de temperatura a diferentesaltitudes de la atmsfera que hay sobre el mar son inferiores a las que hay sobre la tierra. La radiacin solar puedepenetrar varios metros bajo el mar mientras que en tierra la radiacin solar slo calienta la capa superior del suelo,que llega a estar mucho ms caliente.

Consecuentemente, las diferencias de temperatura entre la superficie y el aire sern menores sobre el mar quesobre la tierra. Esto es lo que provoca que la turbulencia sea menor.

Condiciones del abrigo del viento en el mar

El modelo convencional WAsP usado para la modelizacin del viento en tierra est siendo modificado para poder serutilizado en la modelizacin de condiciones de viento en el mar, segn su promotor, el 'Riso National Laboratory'.

Los principales resultados obtenidos de la experiencia del principal parque elico en Vindeby (Dinamarca) y delconstruido posteriormente en Tun Knob (Dinamarca) han conducido a nuevas investigaciones con anemmetrossituados en diferentes emplazamientos a lo largo del litoral dans desde 1996.

Los resultados preliminares indican que los efectos del abrigo del viento desde tierra pueden ser ms importantes,incluso a distancias de 20 km., de lo que en un principio se haba pensado.

Aerogenerador marinode 500 kW en TunKnob (Dinamarca).Fotografa 1996

Vestas Wind Systems

A/S

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Por otro lado, parece que los recursos elicos marinos pueden ser del 5 al 10 por ciento superiores a los estimadosen un principio.

Investigacin sobre la energa elica en el mar

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Parque elico

marino de VindebyFotografa 1992

Bonus Energy A/S

Aerogeneradores del tamao de

megavatios, cimentaciones ms baratas y nuevos conocimientos sobre las

condiciones elicas en el mar estn mejorando la economa de la energa

elica marina.

Cuando ya est resultando econmica en las buenas localizaciones

terrestres, la energa elica est a punto de cruzar otra frontera: la frontera

econmica marcada por la lnea de costa. Los investigadores y proyectistas

estn a punto de desafiar el saber convencional sobre tecnologas de

generacin de electricidad: la energa elica en el mar est siendo rpidamente

competitiva con las otras tecnologas de produccin de energa.

El plan 21 dansDe acuerdo con el "Plan de accin sobre energa del gobierno dans, Energa

21" (ver la pgina de enlaces ), 4.000 MW de energa elica sern instalados

en emplazamientos marinos antes del ao 2030. Con otros 1.500 MWinstalados en tierra, Dinamarca ser capaz de cubrir ms del 50 por ciento del

consumo total de electricidad con energa elica. En comparacin, la

capacidad actual de potencia elica en Dinamarca es de 1.100 MW (a

mediados de 1998).

Un total de 5.500 MW de potencia elica en el sistema elctrico dans

significa que los aerogeneradores cubrirn peridicamente ms del 100 por

cien de la demanda de electricidad en Dinamarca. As pues, las plantas

generadoras en el mar debern estar integradas dentro del sistema escandinavo

de electricidad, basado en una enorme proporcin de energa hidroelctrica.Con una inversin total de alrededor de 48.000 millones de coronas danesas

(7.000 millones de dlares americanos) para los 4.000 MW de capacidad en el

mar, el plan de accin dans representar la mayor inversin en energa elica

que se haya hecho nunca en el mundo.

http://www.windpower.org/es/links.htmhttp://www.windpower.org/es/links.htm

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Calendario marino en DinamarcaLas compaas danesas de energa ya han solicitado licencias de construccin

para 750 MW de parques elicos marinos. De acuerdo con su calendario, ms

de 4.000 megavatios de potencia sern instalados en el mar antes del 2027 en

Dinamarca. Probablemente el primer paso sea un parque elico ms pequeode 40 MW justo en la costa de Copenhague.

Un informe redactado por las compaas danesas de energa para el

Ministro de Energa y Medio Ambiente identifica cuatro reas principales en

el territorio marino dans idneas para la produccin de energa elica, con un

potencial de 8.000 MW. La filosofa seguida en la eleccin de las reas es bien

sencilla: por razones medioambientales el Comit ha concentrado la capacidad

en unas pocas reas remotas, con una profundidad del agua entre 5 y 11

metros.

Las reas han sido elegidas evitando zonas protegidas, rutas de navegacin,

enlaces por microondas, reas militares, etc. Esto tambin limita el impacto

visual en tierra.

Las investigaciones ms recientes sobre cimentaciones indican que puede

ser econmico instalar turbina marinas incluso a 15 metros de profundidad del

agua, lo que significa que el potencial en el mar est alrededor de los 16.000

MW en las reas seleccionadas de las aguas danesas.

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Substation and grid connection

The produced power is fed to a substation to be built by Eltra. After stepping-up to 150 kV, the power isconveyed to shore. The substation platform is designed as a tripod construction with a steel building with asurface area of approx. 20 x 28 m, placed some 14 m above mean sea level. Among others, the platformaccommodates the following technical installations:

36 kV switch gear

36/150 kV transformer 150 kV switch gear Control and instrumentation system, and communication unit Emergency diesel generator, incl. 2 x 50 tonnes of fuel Sea water-based fire-extinguishing equipment

Staff and service facilities

Helipad Crawler crane MOB boat (Man Over Board)

Substation model

Cables to the onshore grid

A trenched sub-marine cable connects the Horns Rev offshore wind farm to the onshore grid. The sub-marine cable is installed by Eltra who are in charge of making the produced power available to the grid.Triple-core 150 kV cables with sub-marine armouring is used.

http://www.eltra.dk/http://www.eltra.dk/http://www.eltra.dk/http://www.eltra.dk/http://www.eltra.dk/

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