La Energía Eólica Marina: Conceptos y Retos Tecnológicos. Iñigo J. Losada Instituto de Hidráulica Ambiental Universidad de Cantabria

Transcripción

1 La Energía Eólica Marina: Conceptos y Retos Tecnológicos Iñigo J. Losada Instituto de Hidráulica Ambiental Universidad de Cantabria

2 ÍNDICE El presente y el futuro de la energía eólica o shore Características principales Retos tecnológicos en el ciclo de vida de una instalación o shore Recurso y factores ambientales Elementos del diseño Cimentaciones Turbinas Conexiones Construcción Operación y explotación La I+D+i en energía eólica o shore en Cantabria Conclusiones

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4 Características principales: ventajas Gran disponibilidad de recurso (prácticamente ilimitado) Disponibilidad de grandes superficies para el desarrollo de proyectos de gran escala Mayores velocidades de viento (en general, aumentando con la distancia a la costa) Menor turbulencia y, por tanto, mayor efectividad de las turbinas y reducción de cargas sobre las turbinas Menor incidencia ambiental Energía libre de emisiones Favorece la independencia energética de muchas países Permite contribuir a cumplir con los compromisos de reducción de emisiones

5 Características fundamentales: Inconvenientes No todo el recurso es aprovechable planificación espacial Todavía existen retos tecnológicos que es necesario salvar y que afectan a los diferentes elementos de la cadena de valor y del ciclo de vida de la eólica o shore Es necesario reducir costes en todas y cada una de las fases de diseño, instalación, operación y mantenimiento Las condiciones administrativas y financieras son muy diferentes de unos países a otros imponiendo calendarios de implantación con plazos muy diversos

6 Elementos principales Promoción Ingeniería Aerogenerador Instalación Cimentación Sistema Eléctrico Telemando (medida y control) Explotación Operación Mantenimiento

7 Fuente: Sodercan/Europraxis

8 El presente y el futuro de la energía eólica o shore

9 Con ocho campos eólicos o shore se podría generar toda la demanda Global de cumulative electricidad wind de la UE power capacity (MW) 8 parques o shore de 100x100 km podrían producir 3,000 TWh equivalente a la demanda de la UE Fuente: Siemens

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12 Eólica o shore estado actual 2008: 1.5 GW o shore en 8 países de la UE

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15 Retos tecnológicos

16 Contribución de las energías renovables en función de su competitividad

17 TURBULENCIA DEBIDA A LOS VÓRTICES VIENTO TURBULENCIA OLEAJE IMPACTOS ACCDIDENTALES MAREAS CORRIENTES EROSIÓN

18 El viento como recurso energético

19 La energía eólica o shore es un recurso energético importantísimo Global cumulative wind power capacity (MW) - Potencial técnico de energía generada del viento o shore en EU - 25,000 TWh en ,000 TWh en 2030 Demanda energética de EU - 3,537 TWh en ,279 TWh en 2030 Fuente: Agencia Europea de Medio Ambiente

20 Características fundamentales Influenciado por los efectos topográficos locales Rugosidad de la superficie constante Altura fija del buje Mayor turbulencia Limitada influencia de los efectos topográficos locales Rugosidad de la superficie variable con el oleaje Altura del buje variable con la marea Menor turbulencia pero con mayor persistencia (espacio/ tiempo) Onshore O shore Diferencias en cuanto al régimen de viento

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22 Evaluación del recurso Plataformas FINO-I,II y III

23 IDERMAR: Investigación y Desarrollo de Energías Renovables Marinas, S.L. SOCIOS: Apia XXI, IH Cantabria, Helium, Sodercan. LINEAS DE PRODUCTO: Torre meteorológica flotante: Sistemas de Monitorización del Recurso Eólico Marino Soporte para aerogeneradores marinos flotantes: puede ser adaptado a cualquier modelo de motor, máquina o aerogenerador.

24 IDERMAR: Investigación y Desarrollo de Energías Renovables Marinas, S.L.

25 Turbinas

26 Se está trabajando en el desarrollo de turbinas específicas para o shore En la actualidad las turbinas se sitúan entre los 3 y los 5 MW de potencia Se están desarrollando turbinas de > 5 MW 5MW 126 m de diámetro de rotor

27 Fuente: Sodercan/Europraxis

28 Cimentaciones

29 Incremento del coste

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31 Las cimentaciones tipo monopilote consisten típicamente de tres componentes: un pilote de acero, de entre 3,5 y 5m de diámetro que se clava en el suelo marino mediante perforación hasta 30m de profundidad. una pieza de transición que se asienta en el extremo superior del pilote, de acero, y que sirve de sujeción a la torre una plataforma de atraque para el acceso a la torre Preferentemente para profundidades m Para profundidades menores las GBS son más económicas. Los monopilotes requieren una preparación mínima del fondo marino y resisten bien la erosión.

32 Las cimentaciones por gravedad Gravity Base Structures (GBS) son grandes cimentaciones de hormigón o acero que aseguran las turbinas al fondo marino por su propio peso Típicamente, tienen un diámetro de metros y un peso de entre 500 y toneladas. Su instalación requiere una preparación previa del suelo marino y un barco especial para su transporte. Las GBS se emplean en aguas costeras y su coste es inferior al de los monopilotes, encareciéndose enormemente para profundidades mayores de 10m.

33 Las cimentaciones en trípode han sido diseñadas para su uso en aguas de 30 m o mayore (hasta 40m). Un trípode se ancla al fondo marino mediante pilotes de acero. Las cimentaciones trípode son más caras que las GBS, pero son más apropiadas para el soporte de turbinas de 4-5 MW.

34 Cimentaciones de Alpha Ventus

35 Los sistemas de cimentación Jacket provienen de la industria petrolera o shore. Se emplean en aguas con profundidades hasta los 60 m. El coste de fabricación es elevado, pero tiene un amplio margen de reducción de costes a través del aprovechamiento de las economías de escala. El sistema Jacket se ancla mediante sistemas de pilotaje. El jacket se transporta e instala de una sola pieza, por los que son necesarios barcos especiales.

36 Las cimentaciones tipo suction buckets son una alternativa a los sistemas tradicionales de cimentación. El sistema se fija al suelo marino mediante un sistema de succión a presión, y su apariencia es similar a las GBS. Presenta la ventaja de que su instalación es sencilla, rápida y más económica que el resto de sistemas, al no tener que realizar ningún tipo de perforación. Se instalan depositando en el fondo la cimentación de acero y aplicando succión a la base, creando una presión diferencial que hace que la cimentación penetre en el suelo.

37 Tecnologías flotantes: Conceptos fundamentales Método para garantizar la estabilidad Floating Jacket Tensione d Leg Platform Anclajes en tensión source: TU Delft Hidrostátic a Spar Balasto

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39 Factores fundamentales en el diseño de estructuras flotantes Empujes sobre la turbina (medios y Dinámicos) Esfuerzos generados por el oleaje y las corrientes Momentos torsores Coste Impactos accidentales

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41 Ventajas de las estructuras flotantes amplía de manera importantísima los potenciales lugares de ubicación reducción del impacto visual existe un amplio número de conceptos diferentes en profundidades intermedias los costes podrían llegar a ser semejantes a los de estructuras fijas mayor flexibilidad en el proceso constructivo y de instalación más fácil desinstalación Retos de las estructuras flotantes mayor complejidad en el diseño es necesario minimizar el movimiento de la turbina por la acción conjunta de viento y oleaje es necesario mejorar nuestras capacidades para modelar el movimiento acoplado de la estructura soporte y la turbina la infraestructura eléctrica presenta nuevos retos los procedimientos de construcción, instalación y operación y mantenimientos

42 Sistema eléctrico

43 Cable submarino Sistema Eléctrico Subestación Fotos: Alpha-ventus Red de distribución)

44 Cables submarinos Corriente alterna (AC) Solución más barata para parques pequeños y distancia a la costa de hasta 20 km. Turbinas de potencia AC de 33kV conectadas con cable AC de la misma potencia lo más simple. Un solo cable hasta 300 MW de potencia. Evacuación directa a tierra sin subestación o shore. Importantes caídas de tensión provocadas por altas pérdidas de transmisión Corriente alterna de alto voltaje (HVAC) Para proyectos > 100 MW, la potencia eléctrica generada puede transmitirse mediante cables de mayor capacidad, 132 kv o superiores. Subestación o shore necesaria. Esta solución es óptima para proyectos de tamaño medio y hasta 20 km de distancia a costa. Un cable de 132kV puede evacuar una potencia de 250 MW. Según los parques van aumentando de tamaño o aumentan las distancias o shore, los cables HVAC presentan limitaciones provocadas por las excesivas pérdidas sufridas. A partir de una cierta longitud de cable, las pérdidas de transmisión (junto con otros aspectos de costes) hacen inviables los cables AC Corriente continua de alto voltaje (HVDC) Fuente: Sodercan/Europraxis La alternativa a los cables HVAC es el empleo de cables HVDC. No hay experiencia en parques o shore Las pérdidas de transmisión son del orden del 20% menores que en los cables AC, si bien, debido al coste y a las perdidas en los convertidores sólo son rentables a partir de 100 km de distancia o shore

45 Red de distribución) Propuesta de la EWEA para desarrollar una red o shore durante los próximos 20 años Está dotada de la estructura necesaria para transportar toda la electricidad en producción, en proyecto, construcción y prevista a los consumidores europeos Se recomienda dimensionar la red o shore transnacional para transportar 40 GW en GW en 2030

46 Instalación

47 Fuente: Sodercan/Europraxis

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50 Medios marinos

51 Infraestructuras logísticas El Puerto de Santander juega un papel protagonista en la estrategia de clusterización de la actividad industrial orientada a las energías renovables. A 20 horas del mercado inglés y alemán Principal caso de éxito Otros referentes Bremerhaven Emden Rostock Esbjerg

52 Operación y acceso

53 Fuente: Sodercan/Europraxis

54 Plataforma AMPELMANN

55 I+D+i en Cantabria

56 Infraestructuras tecnológicas Parque Científico Tecnológico de Cantabria

57 Infraestructuras tecnológicas Instituto de Hidráulica Ambiental Generación y atracción de conocimiento Más de 100 profesionales. Multidisciplinar. IDAE: Atlas de recurso renovable en el medio marino. Proyectos de I+D+i: Maren, Ocean Lider, Plataforma flotante, tecnólogos Cantabria Campus de Excelencia Internacional Campus de Agua y Energía

58 Infraestructuras tecnológicas Cantabria Coastal and Ocean Basin ICTS: referente internacional Tanque de oleaje dual (o shore/costero) Dimensiones (45 m * 35 m * 3 m + 10 m pozo central) Oleaje multidireccional con absorción activa, corrientes y viento Módulo de 4 palas (de 64) del sistema de generación de oleaje multidireccional. Infografía del tanque con el sistema de generación de oleaje y el sistema disipador de oleaje perimetral.

59 Infraestructuras tecnológicas Parque de experimentación marítima de Ubiarco y de Santoña Áreas de pruebas Ubiarco 6 x 8 = 48 Km 2 Santoña 0.6 x 0.4 = 0.24 Km 2 Centro de investigación sobre sistemas de aprovechamiento de la energía marina y o shore, basado en la creación de un laboratorio de prototipos

60 Infraestructuras tecnológicas Áreas de pruebas Área de Santoña (UNDIMOTRIZ) Situación: profundidad de -48 to -55. Potencia disponible: 2 MW. Componentes: Transformador sumergido-cable submarino estación en tierra-conexión a la red Centro Experimental para energía del oleaje Sistema de observación ambiental (Oleaje, corrientes, etc.) Participantes: SODERCAN, IDAE Gestión: IH Cantabria Inicio de operaciones: 2010

61 Infraestructuras tecnológicas Áreas de pruebas Área de Ubiarco (Eólica OFFSHORE) Área: 4800 Ha Profundidades: m 6000 m Componentes: Varias conexiones submarinas Cables submarinos Subestación en tierra Conexión a la red Sistema de observación Sistemas de energía oleaje Turbinas o -shore fijas o flotantes 8000 m

62 Infraestructuras tecnológicas Centro Tecnológico de Energías Renovables Áreas de especialización: o Análisis de interacción fluido estructura de sistemas mecánicos Marinos o Ciclo de vida y fiabilidad de componentes mecánicos en ambiente marino Procesos de degradación: fatiga, corrosión, Análisis de fallos. Materiales alternativos Planificación mantenimiento. Centro de Formación en energías marinas Torre de energías renovables

63 Conclusiones La eólica o shore ofrece una gran oportunidad de aprovechar un gran potencial de recurso para generar energía sin emisiones. Es previsible un importante desarrollo en las próximas décadas aunque desigualmente distribuido en todo el mundo. Para su desarrollo se abre un amplio espectro de oportunidades de I+D+i y de negocio en todo el ciclo de vida de los parques y en toda la cadena de valor. Los mayores retos se encuentran en el desarrollo de la eólica o shore a grandes profundidades, el diseño de parques con una mayor fiabilidad y eficiencia y la reducción de costes.

64 La Energía Eólica Marina: Conceptos y Retos Tecnológicos Iñigo J. Losada Instituto de Hidráulica Ambiental Universidad de Cantabria