PARÁMETROS INDEPENDIENTES DEL TIPO DE PLATAFORMA EÓLICA MARINA FLOTANTE PARAMETERS INDEPENDENT ON THE TYPE OF FLOATING OFFSHORE WIND PLATFORM

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1 PARÁMETROS INDEPENDIENTES DEL TIPO DE PLATAFORMA EÓLICA MARINA FLOTANTE Laura Castro-Santos* Ingeniero Industrial Sara Ferreño-González* Ingeniero Naval y Oceánico Alba Martínez-López* Doctor Ingeniero Naval Vicente * Doctor Ingeniero Naval University of A Coruña. Grupo Integrado de Ingeniería. Edificio de Talleres (Campus Esteiro), C/ Mendizábal, 15403, Ferrol, A Coruña (Spain). Phone number: ext 3890, Received: 4/dec/ Accepted: 28/feb/ DOI: PARAMETERS INDEPENDENT ON THE TYPE OF FLOATING OFFSHORE WIND PLATFORM ABSTRACT: The main developments in offshore wind power are focused on wind turbines with foundations on seabed. However, there exist important limitations for installing these structures exist in places with high depth within short distance from the coast. This means that the progress of offshore wind energy around the world is tied to the development of safety and low cost floating platforms for renewable energy offshore devices. Therefore, the first aim of this paper is to know which alternatives exist for a floating offshore wind farm establishment and design parameters are independent or dependent of platform configuration. In order to evaluate each alternative, the request inversion for each configuration has been analysed. From this point of view, the conclusion is that a string configuration for the electrical network is better than a star configuration. With regard to maintenance, it would be better to have a proper vessel only if the number of trips is more than three. Keywords: Offshore, energy, floating, wind turbine. RESUMEN: Los principales avances en la energía eólica marina se centran aerogeneradores cimentados en los fondos marinos. Sin embargo, existen importantes limitaciones para la instalación de estas estructuras, en lugares en los que se alcanza una elevada profundidad a poca distancia de la costa. Esto significa que el progreso de la energía eólica marina en todo el mundo está ligado al desarrollo de plataformas flotantes para dispositivos de energía renovable en alta mar seguras y de bajo coste flotantes Por lo tanto, el primer objetivo de este trabajo es conocer qué alternativas existen para un establecimiento flotante de energía eólica marina y los parámetros de diseño son independientes o dependientes de la configuración de la plataforma. Con el fin de evaluar cada alternativa, para cada configuración se ha analizado la solicitud de inversión. Desde este punto de vista, la conclusión es que una configuración en cadena para la red eléctrica es mejor que una configuración de estrella. Con respecto al mantenimiento, sería mejor tener un buque propio, sólo si el número de viajes es más de tres. Palabras clave: Offshore, energía, flotante, aerogenerador. Pag. 1 / 9

2 1.- INTRODUCCIÓN Actualmente, el marco energético europeo está condicionado por regulaciones relativas al cambio climático, como el Protocolo de Kyoto, y por la dependencia externa de los productores de petróleo. Además, para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero e incrementar la independencia de los productores de petróleo, la Unión Europea (UE) estableció en 2009 que el 20% del consumo final de energía debe de provenir de fuentes renovables en 2020[1]. Debido al reducido número de emplazamientos disponibles y a las restricciones medioambientales para las energías renovables terrestres, las energías renovables marinas verán incrementada su presencia en el contexto energético europeo. En este sentido, la energía eólica marina contribuirá a conseguir los objetivos fijados por la política energética de la UE a través de un fuerte incremento del orden de entre 30 y 40 veces para 2020 y 100 veces para 2030 en la capacidad instalada en relación a la actualidad [2]. Por tanto, los parques eólicos marinos se están convirtiendo en una de las más significativas fuentes de energía renovable. Los principales condicionantes para los diseños actuales son la distancia a la costa y la profundidad. Estos diseños están restringidos a operar a 100 m de profundidad, sin embargo las regiones con mayor energía disponible necesitan operar en aguas más profundas. Por lo que el próximo paso es desarrollar estructuras flotantes capaces de operar en aguas profundas. Una de las dificultades mayores de estos sistemas es la ausencia de referencias para evaluar los costes de las estructuras en la fase de diseño preliminar. Debido a las restricciones de la tarifa [3] [4], la rentabilidad económica está drásticamente condicionada por cada solución técnica. En este sentido, como el conocimiento de los parques eólicos marinos flotantes es limitado, algunas aproximaciones para la evaluación de costes para energía eólica marina fija [5] [6] y energía eólica terrestre [7] han sido propuestos. El diseño de estos sistemas está basado en la industria del petróleo; sin embargo los principios de seguridad y de diseño económico son totalmente diferentes. Por tanto, el criterio de diseño específico debe ser definido para lograr elegir la mejor alternativa técnica. Así, el principal objetivo de este artículo es conocer cuáles son los principales parámetros envueltos en cada una de las fases necesarias para llevar a cabo el ciclo de vida de un parque eólico marino. Los resultados permiten tomar conciencia sobre cuáles son los costes más importantes y minimizarlos en el futuro para mejorar la competitividad de los parques eólicos marinos flotantes. 2.- MATERIALES Y MÉTODOS PARÁMETROS DE DISEÑO Los costs para la generación de energía eólica marina han sido significativamente mayores que los de los parques en tierra, aunque recientes mejoras tecnológicas en el tamaño y diseño de la tecnología de los aerogeneradores y, en general, caminos de producción más eficiente, puedan haber ayudado a mejorar este hecho. Como se ha dicho, el principal objetivo de este artículo es conocer cuáles son los principales parámetros a considerar en un parque eólico marino flotante y cuáles de ellos dependen de cada una de las fases de su ciclo de vida. Por tanto, para analizar los efectos económicos de los parámetros de diseño, los cuales afectan al diseño del parque, ellos han sido separados en dos grupos: - Parámetros dependientes de las características generales del parque. Tales como potencia generada, tipología del aerogenerador, etc. - Parámetros dependientes de las alternativas de configuración del mismo. El presente artículo estará centrado en los parámetros dependientes de las alternativas de configuración del parque. Entre estes, se pueden definir dos tipos de parámetros: Pag. 2 / 9

3 - Parámetros independientes del tipo de plataforma flotante. - Parámetros dependientes del tipo de plataforma. Este artículo explicará solo los parámetros de diseño que son independientes del tipo de plataforma flotante elegida. En el estudio de todo el ciclo de vida del proceso de un parque eólico marino flotante se pueden definir tres tipos de parámetros de diseño: - Configuración del parque: dependiente del tipo de red eléctrica. - Instalación: relacionada con el tipo de buque usado para el transporte e instalación de la plataforma flotante. - Mantenimiento: teniendo en cuenta el nivel requerido de exigencia. Cada uno de ellos será analizado por separado. Una explicación general de cada una de estas alternativas es mostrada a continuación: Tipos de parámetros de un parque eólico marino flotante Dependientes de las características generales del parque Dependientes de las alternativas de configuración del parque Independientes del tipo de plataforma flotante Dependientes del tipo de plataforma flotante Configuración del parque Instalación Mantenimiento Figura 1. Esquema general Configuración del parque: Red eléctrica La ubicación del parque en aguas profundas general una importante complejidad técnica a la hora de llevar a cabo la evacuación eléctrica del parque marino. En este sentido, el sistema de conexión eléctrica para un parque eólico marino puede dividirse en el sistema de recogida y de transmisión a la costa. El sistema de recogida colecta la potencia del parque eólico marino. En él cada aerogenerador es conectado en una red eléctrica interna del parque, bien usando una configuración en estrella, bien un sistema en cadena. El cable de unión del parque con la costa puede ser un HVAC, HVC o VSC HVDC, siendo el sistema HVAC el usado en todos los parques que existen hasta el momento. En general, hay dos tipos básicos de conexión eléctrica [8]: - Conexión en cadena. En esta configuración, cada aerogenerador es conectado radialmente con otro y todos ellos con la subestación. - Conexión en estrella. En esta configuración, cada turbina es conectada directamente con la plataforma donde está la subestación. Pag. 3 / 9

4 Hay dos tipos de configuración en cadena. Las principales diferencias entre ellos son la potencia del cable empleado y la cantidad del mismo: el tipo 1 usa un cable de 100 MW, mientras que el Tipo 2 usa cables de 100 MW y de 5MW. El cableado interno es el que une los aerogeneradores a la subestación y al punto de conexión del parque (cables de 5MW). La línea de evacuación, conecta el punto de conexión con el punto de conexión con tierra (líneas de 100 MW). El punto de conexión normalmente es la subestación, donde se encuentran los transformadores. Por otro lado, la conexión en estrella puede ser de dos tipos, dependiendo de cómo haya sido unido el cable. Un esquema de estos tipos de conexiones eléctricas es mostrado en la siguiente figura: CADENA TIPO 1 CADENA TIPO 2 seaza seazb ESTRELLA TIPO 1 ESTRELLA TIPO 2 Figura 2. Conexiones eléctricas En primer lugar, sería evidente que la conexión con cables de mayor potencia fuera la más cara desde el punto de vista económico. Sin embargo, los costes también dependerán de la cantidad de cable usado. Por otro lado, el coste de la configuración eléctrica del parque puede ser calculada teniendo en cuenta la siguiente expresión: Siendo: N: número de cables eléctricos. d: longitud del cable eléctrico (m). C: coste del cable eléctrico ( /m). El subíndice maraz se corresponde con el cable eléctrico localizado en el parque. Por tanto, el término a es la parte del cable que va desde la plataforma marina flotante hasta el lecho marino y el término b es la parte que va desde un aerogenerador a otro. Por otro lado, el concepto mar4 está basado en el cable eléctrico marino que transporta la electricidad desde el parque hasta tierra. Finalmente, el término tierra se refiere al cable eléctrico localizado en tierra. Pag. 4 / 9

5 Además habrá que tener en cuenta que el coste del cable eléctrico se basará en el facilitado por fabricantes especializados [9] [10]. PARQUE marza marzb mar4 tierra Figura 3. Subíndices eléctricos Instalación Los costes de instalación del parque eólico marino son una partida importante debido fundamentalmente a que las aguas profundas hacen necesario que las plataformas sean flotantes. En este sentido, existen dos tipos básicos de instalación: - Instalación basada en mar. - Instalación basada en tierra. La instalación basada en mar puede ser llevada a cabo por un barco de tipo jack-up o por la combinación de una barcaza, un remolcador y una grúa flotante. Por otro lado, la instalación basada en tierra puede ser realizada de dos formas. La primera se basa en que el aerogenerador está montado en tierra, por lo que se necesitarán una grúa de puerto, una barcaza y un remolcador. Sin embargo, en la segunda, la turbina y la plataforma son ensambladas en el puerto o en el astillero, por lo que la barcaza no será necesaria. El coste de instalación está basado en la siguiente fórmula[11]: Siendo: - : coste de las grúas, los movimientos y el área en el puerto. - : coste del transporte. - : coste de la instalación en mar usando grúas. Todos estos costes dependerán del tipo de instalación [12]. Por ejemplo, en el caso del segundo tipo de instalación en tierra, los costes no serán muy altos porque la mayor parte del proceso tiene lugar en tierra [13] Mantenimiento En general, las actividades de mantenimiento pueden dividirse en: - Mantenimiento correctivo puede ser definido como el mantenimiento llevado a cabo para identificar, aislar y rectificar un error que ya se ha producido[14]. - Mantenimiento preventivo: es el mantenimiento de los equipos o sistemas antes de que el fallo ocurra [15]. - Mantenimiento predictivo, basado en la confiabilidad. El mantenimiento correctivo es llevado a cabo cuando un componente ha fallado, y el preventivo se desarrolla para evitar el fallo. El mantenimiento programado es desarrollado bajo tiempos predefinidos y puede ser: lubricación, ajuste de tornillos, cambio de filtros, etc.. Sin embargo, el mantenimiento basado en la confiabilidad se basa en el estado actual del componente y, por tanto, requiere un sistema de monitorización y de inspecciones determinado[16]. Además, Pag. 5 / 9

6 en el caso de un parque eólico marino, al estar ubicado en mar, el mantenimiento sin programar puede dar lugar a coste adicional [17] [18]. En lo relativo al mantenimiento correctivo, el fallo de un componente de baja importancia puede causar un daño elevado a un componente mayor, lo que da lugar a costes de reparación elevados. Por otro lado, también hay que considerar que si esto sucede en períodos con grandes cargas de viento y en los cuales el emplazamiento sea inaccesible, puede dar lugar a pérdida de producción del parque, con las consiguientes pérdidas económicas. Por tanto, el mantenimiento puede ser llevado a cabo de dos formas [19]: mantenimiento basado en tierra o en mar. Además, se pueden tener en cuenta varios niveles del mismo [20]: mínimo, básico, intermedio, alto y exhaustivo. Teniendo todo lo anterior en cuenta, se considerarán dos tipos de mantenimiento: - Mantenimiento basado en tierra, sin alojamiento permanente (mínimo, básico, intermedio y alto). - Mantenimiento basado en mar, con alojamiento permanente (exhaustivo). Estas alternativas dependerán a su vez del número de viajes para mantenimiento que se hagan anualmente: el mantenimiento mínimo supone 1 viaje, el básico 2 viajes, el intermedio 3 viajes, el alto 4 viajes y el exhaustivo 5 o más viajes. El coste de mantenimiento estará, por tanto, compuesto por: Siendo: - : Coste del mantenimiento correctivo. - Coste del mantenimiento preventivo. - Cada uno de estos costes serán diferentes dependiendo del tipo de estrategia de mantenimiento empleada: en tierra o en mar. 3.- RESULTADOS DATOS DE ENTRADA Los costes calculados en el presente artículo han sido calculados teniendo en cuenta los siguientes valores de entrada: - Número de aerogeneradores: Potencia de cada turbina: 5 MW. - Distancia a la costa: 20 km. - Profundidad: 386 m CONFIGURACIÓN DEL PARQUE La configuración del parquet dependerá de la cantidad de cable, del diámetro del aerogenerador, del número de turbinas, de la distancia a la costa, de la profundidad y del coste del cable. En este caso, el objetivo será reducir la cantidad de cable, que es el factor más importante. La Opción 2 de la configuración en estrella necesita más cable que la Opción 1, por lo que esta está rechazada. Como se ve en la Tabla I la configuración en cadena es económicamente mejor que la configuración en estrella. La opción más barata es la configuración en cadena Opción 1, tal y como se ve en la Tabla I. De hecho, la Opción 2 en cadena es 3.6 M más cara que la opción elegida, porque aunque en este caso hay cable de 5MW y su coste es menor que el de 100MW, la cantidad de cable usado es superior. Por otro lado, la Opción 1 de la configuración en estrella es 4.4 M más cara que la opción elegida porque la cantidad de cable es tan alta que no compensa sus costes. Pag. 6 / 9

7 3.3.- INSTALACIÓN Tabla I. Costes de la configuración del parque Configuración del parque Coste (M ) Configuración en cadena Configuración en cadena Configuración en estrella Configuración en estrella 2 Rechazada En Segundo lugar, será necesario saber cuál es el mayor tipo de instalación, lo cual dependerá directamente del coste del buque empleado. La elección de un jack-up se descartará porque sus costes son superiores y porque debido a la elevada profundidad no podrá ser usado [21]. Por tanto, después de haber comparado varios sistemas, la instalación más barata se corresponde con aquella en la cual tanto turbinas como plataformas son montadas en tierra, es decir, la Opción 2 de la instalación basada en tierra, pues elimina el uso de la barcaza. La Opción 2 en mar supone 39.8 Me más en costes que la opción elegida, principalmente debido al alto coste de las grúas flotantes especializadas. La Opción 1 en tierra tiene costes ligeramente superiores a los de la elegida, excediendo sólo en 0.77 M, aunque están en el mismo rango, tal y como muestra la Tabla II: MANTENIMIENTO Tabla II. Costes de instalación Instalación Coste (M ) Basada en mar 1 Rechazada Basada en mar Basada en tierra Basada en tierra El mantenimiento dependerá del número de viajes para este propósito: más viajes implica más coste. Tener un barco propio para el mantenimiento significa un coste mayor si el mantenimiento es mínimo (M), básico (B) o intermedio (I). Sin embargo, si el mantenimiento es alto (A) o exhaustivo (E), el hecho de contar con un buque propio puede ser beneficioso en términos económicos. Por tanto, la conclusión es que es mejor tener tu propio barco si vas a llevar a cabo 3 o más viajes para mantenimiento, tal y como se muestra en la Tabla III: 4.- DISCUSIÓN Tabla III. Costes de mantenimiento Coste (M ) Mantenimiento M B I A E Buque propio Buque no propio Después de haber examinado todas las posibles opciones en lo relativo a la configuración de un parque eólico marino flotante, las mejores son las siguientes: Opción 1 de la configuración en cadena. Opción 2 de la instalación basada en tierra. Mantenimiento con barco propio a partir de 3 viajes. Pag. 7 / 9

8 No existe alojamiento. Por otro lado, la elaboración de este estudio permite saber cuáles son las principales variables en la implementación de un parque eólico marino flotante. Por tanto, su coste, el cual representa un cuello de botella en este sector, podrá ser determinado. Este estudio fue llevado a cabo como un análisis preliminar de una serie de opciones. Sin embargo, futuros trabajos estarán centrados desarrollar el detalle de cada una de las variables que intervienen. 5.- AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido parcialmente financiado por la Xunta de Galicia mediante el proyecto 10REM007CT y mediante los fondos Feder por el MICIIN a través del proyecto ENE C REFERENCIAS [1] Official Journal of the European Union. Directive 2009/28/EC of the European Parliament and of the Council of 23 April 2009 on the promotion of the use of energy from renewable sources and amending and subsequently repealing Directives 2001/77/EC and 2003/30/EC page [2] European Wind Energy Association (EWEA). The European offshore wind industry key 2011 trends and statistics [Internet] page Available from: [3] Sieros G, Chaviaropoulos P, Sorensen J, Bulder B, Jamieson P. Upscaling wind turbines : theoretical and practical aspects and their impact on the cost of energy. Wind Energy. 2012;25:3 17. [4] Chang J, Ummels B. Economic evaluation of offshore wind power in the liberalized Dutch power market. Wind Energy [Internet] [cited 2012 Nov 8];12: Available from: [5] Fingersh L, Hand M, Laxson A. Wind Turbine Design Cost and Scaling Model Wind Turbine Design Cost and Scaling Model [Internet] page Available from: n+cost+and+scaling+model#0 [6] Henderson AR, Witcher D. Floating Offshore Wind Energy - A Review of the Current Status and an Assessment of the Prospects. Wind Engineering. 2010;34(1):1 16. [7] Kaldellis JK. An Integrated Feasibility Analysis of a Stand-alone Wind Power System, including No-energy Fulfillment Cost. Wind Energy [Internet] Oct [cited 2012 Nov 8];6(4): Available from: [8] Schachner J. Power connections of offshore wind farms. Delft University of Technology, Netherlands; [9] National Grid Offshore Development Information Statement Appendices [Internet] page Available from: [10] Prysmian. Catálogos Prysmian diversos voltajes [Internet] [cited 2012 Oct 12]. Available from: [11] Wall DL. Parametric estimating for early electric substation construction cost [Internet] page Available from: [12] BVG Associates. A Guide to an Offshore Wind Farm page Pag. 8 / 9

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