Aerogenerador Siemens monopilote

Galgas extensométricas HBM para medir cargas en la cimentación de aerogeneradores marinos

Un experimento único, realizado en el parque eólico de Westermeerwind, en los Países Bajos, ha utilizado galgas extensométricas y equipos de adquisición de datos de HBM para investigar el efecto de atenuación del lecho marino sobre las cargas a las que están sometidos los aerogeneradores.

Para que la energía eólica sea más atractiva que la electricidad de origen fósil, y también como consecuencia de la creciente competencia, los constructores de parques eólicos offshore no dejan de explorar nuevas formas de generar los megavatios necesarios de la manera más económica posible. En este sentido, se han introducido numerosas innovaciones técnicas en los últimos años, en las torres, las turbinas y los rotores. Siemens Windpower ha puesto en marcha un proyecto para entender mejor cómo interacciona la cimentación de los aerogeneradores con el fondo marino.

Un experimento único, realizado en el parque eólico de Westermeerwind, en los Países Bajos, ha utilizado galgas extensométricas y equipos de adquisición de datos de HBM para investigar el efecto de atenuación del lecho marino sobre las cargas a las que están sometidos los aerogeneradores. El objetivo consistía en obtener parámetros fiables para crear un proceso normalizado de diseño de cimentaciones para aerogeneradores.

Siemens Windpower es una nueva empresa segregada de Siemens AG el pasado 1 de enero de 2017, que aglutina distintas divisiones previamente existentes de Siemens, así como otras empresas adquiridas dedicadas a la energía eólica. Desde entonces, Siemens Windpower B.V., en los Países Bajos, ha crecido hasta convertirse en una organización con 120 empleados, aproximadamente. Se ocupa del mantenimiento de parques eólicos ya existentes, así como de la ingeniería y la gestión de proyectos de construcción de nuevos parques.

Gracias a su colaboración con la Universidad Técnica de Delft, la organización de Siemens Windpower en los Países Bajos ha ido evolucionando gradualmente hasta convertirse en un centro de competencia para el desarrollo y la construcción de aerogeneradores. Su principal campo de trabajo es el cálculo de cargas y el diseño de torres y cimentaciones. Las actividades de I+D y la fabricación de los aerogeneradores en sí se lleva a cabo principalmente en los centros que la empresa tiene en Dinamarca.

Competencia, innovación y presión sobre los precios

"En las últimas décadas, la energía eólica se ha hecho extraordinariamente popular en todo el mundo”, comenta Jeroen Bongers, de Siemens Windpower, Países Bajos. “En los últimos 25 años se han construido en Holanda numerosos aerogeneradores y parques eólicos. En la actualidad, más del 5% de la energía que se genera en los Países Bajos es de origen eólico y, aunque el país está todavía muy rezagado a escala internacional, estamos poniéndonos al día. De hecho, se asignó a esta energía un papel muy relevante en el Pacto para la energía de 2015. En los próximos años se instalarán en torno a 4500 megavatios en las costas holandesas, entre las localidades de Borssele e IJmuiden”.

Según Bongers, una de las desventajas de este rápido crecimiento es el aumento de la competencia.

"Cada vez son más los consorcios que licitan por los nuevos contratos, lo que significa que los precios están sometidos a presión. Por supuesto, eso es bueno para el Estado. Hace unos pocos años, se asumió un precio de coste promedio de 100 euros por megavatio en 2020, y ya ha caído hasta 73 euros. La empresa Vattenfall ha desarrollado un nuevo parque eólico en Dinamarca con un precio de coste inferior a 50 euros por megavatio. El importante consorcio Kennis en Innovatie Wind op Zee (TKI-WoZ) ha calculado que, para 2020, es posible alcanzar una reducción de precios del 46% en comparación con los niveles de 2010, lo cual convertiría a la eólica en una energía competitiva y haría innecesarios los subsidios”. La competencia y la presión sobre los precios suponen un desafío considerable para las empresas, que están obligadas a reducir el coste de los aerogeneradores y los parques. Para ello, se está desplegando un gran esfuerzo de I+D. Todo ello ha llevado a duplicar la potencia unitaria de los aerogeneradores, que ha pasado de 3,6 MW a 8 MW en apenas 5 años. Sobre esto, Bongers comenta:

“El coste de un parque eólico de 100 MW de potencia consistente en 13 turbinas de 8 MW cada una puede ser mucho más atractivo que el de otro parque con 25 turbinas de 4 MW”.

Transporte de un pilote de cimentación

El proyecto Disstinct

Siemens Windpower también se ha involucrado intensamente en la investigación en nuevas tecnologías y métodos de construcción de aerogeneradores. En 2014 puso en marcha el proyecto Disstinct, que investiga la interacción entre el lecho marino y la cimentación de los aerogeneradores. 

"Disstinct" son las siglas de “Dynamic Soil Structure Interaction” (interacción dinámica entre la estructura y el suelo). Aparte de Siemens y la Universidad Técnica de Delft, participan en el proyecto empresas como Fugro, Van Oord y DNV-GL.

“Como se puede imaginar, la cimentación de un aerogenerador es sumamente importante. El rotor transmite fuerzas enormes al conjunto de la torre. Y, en el caso de los aerogeneradores marinos, las cargas del oleaje son muy significativas, además del viento”, explica Bongers, que también lidera el proyecto Disstinct.

“Cuando se hace el diseño de ingeniería de una estructura de soporte, la frecuencia de vibración natural de la instalación es muy importante, porque determina las cargas que puede soportar.

Es fundamental predecir correctamente esa frecuencia; ahora bien, el principal factor de incertidumbre es la interacción entre la estructura y el lecho marino.

En las estructuras de hoy en día se hacen estimaciones de la rigidez del suelo muy por lo bajo. El resultado de ello es un cálculo conservador de las estructuras, que lleva a diseñar cimentaciones más robustas y, en definitiva, a utilizar más acero. La consecuencia inmediata es que el precio de la turbina se incrementa, lo cual es algo indeseable en un mercado altamente competitivo y con una fuerte presión sobre los precios”.

El experimento de IJsselmeer

"Sabemos bastante sobre las fuerzas estáticas y dinámicas de los aerogeneradores, pero no tanto sobre el efecto de amortiguación del lecho marino”, continúa Bongers. “Por ello, esta investigación se dirigía especialmente al papel que desempeña ese lecho. En términos generales, un fondo más rígido absorbe mejor las cargas que uno más blando.

Por tanto, las propiedades del subsuelo marino son un punto de partida importante a la hora de diseñar aerogeneradores, y conocer a fondo el suelo proporciona parámetros de entrada de mayor calidad para diseñar las cimentaciones.

En el proyecto Disstinct, queríamos elaborar un mapa y validar esta relación, no solo empleando modelos por ordenador sino también en la práctica, y eso es precisamente lo que hicimos cuando construimos el parque eólico de Westermeerwind”.

Este parque eólico se encuentra en el lago IJsselmeer, a lo largo de la costa del pólder del noreste, al norte de la localidad de Urk. Genera 144 MW, una potencia suficiente para abastecer de electricidad 160.000 hogares. Se compone de 48 turbinas Siemens, que están dispuestas en dos hileras y separadas entre sí de 400 a 500 metros. Cada una de ellas tiene 95 metros de altura y rotores de 108 metros de diámetro. Las aguas en las que se encuentran tienen de 4 a 7 metros de profundidad.

Siemens fue el contratista llave en mano del proyecto, que se construyó en colaboración con las empresas Van Oord, BM4Wind y VMBS, mediante un contrato con Westermeer Wind B.V. El parque eólico fue inaugurado por el ministro de economía holandés, Henk Kamp, el 21 de junio de 2016.

Cimientos con galgas extensométricas

En el contexto del proyecto Disstinct, se llevó a cabo un examen exhaustivo del fondo del lago IJsselmeer, sobre el que se construyó el parque eólico Westermeerwind, que incluyó incluso pruebas sísmicas. Los cimientos de acero se diseñaron a partir de dichas pruebas.

Los monopilotes tienen 5 metros de diámetro, pesan más de 200 toneladas y se hunden aproximadamente 25 metros en el fondo del lecho marino. Para el experimentó, uno de los pilotes de cimentación se instrumentó con equipos de medida. Se montaron en el pilote anillos con cuatro galgas extensométricas cada uno, a siete niveles distintos en la pared interior, con el fin de medir la extensión del acero.

Este número de anillos se seleccionó deliberadamente para garantizar que las galgas extensométricas proporcionasen la información deseada aunque uno o más de los anillos dejara de funcionar.

“La instalación de los anillos fue una operación complicada”, explica Marc van den Biggelaar, uno de los ingenieros certificados de HBM North West Europe, que participó en el proyectó y estuvo a cargo de la implantación de las galgas extensométricas. “El pilote de cimentación tenía en torno a 5 metros de diámetro, así que tuvimos que trabajar con una pequeña plataforma aérea capaz de desplazarse por su interior. Los técnicos utilizaron un equipo de protección personal adaptado a la legislación sobre seguridad y salud, y emplearon equipos especiales de baja tensión. El pilote de acero tuvo que conectarse a tierra, puesto que es una estructura conductora".

"Hay dos formas de instalar una galga extensométrica: con un adhesivo o mediante soldeo por puntos. En este proyecto el adhesivo resultó ser la única opción, porque el monopilote ya había sido certificado”.

Monopilote instrumentado
Instalación de las galgas extensométricas de HBM
Trabajos de instalación de HBM

Ejecución del proyecto

Las galgas extensométricas se fijan a su posición mediante adhesivos desde hace muchos años; para ello se emplean pegamentos especiales y técnicas de aplicación específicas, en función del material, la aplicación, el rango de temperatura y las condiciones ambientales. En el proyecto Disstinct, las galgas extensométricas se encuentran bajo el agua e incluso en el fondo marino. Por ello, se utilizó un tipo especial de adhesivo y un medio de recubrimiento que aportaba impermeabilidad.

Según explica Van den Biggelaar, los ingenieros de HBM en Escandinavia utilizan esta técnica con frecuencia, así que lo más lógico fue trasladar a un equipo especializado desde Noruega para el proyecto.

“Las condiciones ambientales no eran las ideales para el trabajo, lo que exigió precalentar el monopilote para que el adhesivo y el medio de recubrimiento pudieran curar correctamente. Igualmente, fue preciso utilizar cables de conexión impermeables especiales. Para dotarlos de una protección adicional, se tendieron a través de una canaleta que instaló un tercero, y que también se fijó con adhesivo al monopilote. Una consecuencia adicional, no planificada pero interesante, fue que las galgas extensométricas instaladas nos permitieron monitorizar el comportamiento del monopilote de cimentación durante la inserción. El 80% de las galgas extensométricas sobrevivieron al proceso de posicionamiento del pilote, un valor considerablemente superior a lo que esperábamos. En los próximos años, estas galgas extensométricas nos suministrarán muchos más datos; de hecho, en Noruega tenemos proyectos de medición similares operativos desde 2003”.

Galga extensométrica fijada con adhesivo
Galgas extensométricas después de la instalación en el monopilote
Galga extensométrica instalada
Vibrador utilizado con el monopilote

El vibrador

Después de insertar el monopilote en el lecho marino, se le conectó un vibrador. Este equipo consistía en un martillo vibrador con accionamiento hidráulico que, de forma deliberada, produce un desequilibrio de masa. Se utilizó para simular las fuerzas de la torre y del rotor, con el fin de proporcionar una idea de su efecto en la cimentación. Previamente, IHC había probado y calibrado el vibrador sobre un suelo de hormigón armado, en WMC, en la localidad holandesa de Wieringerwerf. Los puntos de las galgas extensométricas del monopilote se conectaron a un sistema de adquisición de datos MGC Plus de HBM mediante cables impermeables especiales. Asimismo, se conectaron inclinómetros y acelerómetros al sistema de adquisición de datos que, a su vez, se instaló en una embarcación de trabajo anclada en las proximidades de las cimentaciones. Las pruebas con el vibrador duraron tres días.

Al final de la prueba con el vibrador, el rack de medición con el sistema de HBM y el software catman® se instaló de forma permanente en el aerogenerador, con la idea de seguir monitorizándolo de forma continua durante los próximos años. El rack cuenta con un PC industrial y una fuente de alimentación de emergencia, para evitar cualquier pérdida de datos en caso de corte de tensión. Se han añadido puntos de medición adicionales con galgas extensométricas a las posiciones iniciales; en concreto, un anillo de cuatro puntos de medición en la torre, a una altura de 37 metros. Siemens ha conectado el PC a su red interna, de modo que los datos puedan recopilarse de forma remota.

Resultados

Rack de medición con el sistema DAQ de HBM

 

“Deducir el comportamiento del lecho marino a partir de los datos de un aerogenerador completo es una labor en general compleja, pero en este experimento con la cimentación no fue necesario. El experimento nos proporcionó un conjunto de datos muy interesante”, reconoce Bongers.

En su opinión, aunque todavía no han terminado los análisis, sí se puede concluir que las hipótesis eran correctas. El suelo se comportó con mayor rigidez de lo esperado, y con un estudio adecuado del suelo, es posible mejorar el cálculo de la rigidez necesaria en un factor de 4 o 5. Eso significa que, en algunos casos, se pueden emplear cimentaciones considerablemente más ligeras, con el consiguiente ahorro de costes. 

“Estamos muy satisfechos de haber tenido la oportunidad de hacer este experimento”, concluye Bongers. “Todos los participantes han puesto a un lado sus intereses individuales a pesar de la presión de los plazos, el coste y los riesgos, y eso es muy encomiable. Los resultados de la investigación, que los científicos utilizarán en sus tesis doctorales este año, pueden ser de gran utilidad para el desarrollo de parques eólicos en el futuro.

Queremos utilizar todos estos datos para desarrollar un modelo de diseño que pueda ser certificado por DNV-GL y que, por tanto, pueda convertirse en una especie de norma de referencia para el diseño de aerogeneradores marinos.

Como consecuencia, en el futuro se harán estudios más serios del suelo que en la actualidad en los lugares de colocación de aerogeneradores. Eso supone una pequeña inversión extra que se recupera rápidamente, porque las cimentaciones y torres pueden ser más ligeras y, por tanto, más baratas”.