Problemas de la verificación de las plantas eólicas marinas flotantes según las normas del sector
Yurii Shumak
La demanda de energías renovables crece exponencialmente, y también lo hace la necesidad de contar con infraestructuras fiables y verificadas con precisión que participen en los procesos.
Panorama de los tipos de estructuras eólicas marinas
En lo que respecta a la energía eólica, existen tres tipos principales de plantas: en tierra, en alta mar y flotantes en alta mar. Junto con las estructuras eólicas flotantes en alta mar (FOW), la eólica terrestre y la eólica marina forman el sistema integral de generación de energía eólica. Mientras que las turbinas eólicas terrestres permanecen en el suelo, las marinas se anclan al fondo oceánico sobre cimientos fijos, y las flotantes se amarran al lecho marino mediante cabos de amarre y anclas.
Los tres diseños principales de FOW incluyen una boya-espigón -un tubo largo que se extiende hacia abajo desde la turbina para equilibrarla por debajo de la superficie del océano-, plataformas semisumergibles -estructuras cilíndricas flotantes modulares aseguradas por cabos de amarre- y una estructura de pata tensada con una plataforma más pequeña anclada al lecho marino con cabos de amarre tensados. A diferencia de las turbinas terrestres y cercanas a la costa, las FOW eliminan la contaminación acústica y visual, suponen una menor amenaza para los peces y los mamíferos marinos y tienen un menor impacto en otros usuarios marinos. Además, debido al montaje en puerto no suelen necesitar buques de carga pesada para su transporte, a diferencia de las turbinas fijas, por lo que ahorran costes de forma significativa. Asimismo, debido al montaje en puerto, el procedimiento depende menos de las condiciones meteorológicas en comparación con las estructuras marinas situadas en aguas abiertas.
Normas, reglas y reglamentos de la industria para la FOW
Durante años, las plantas eólicas marinas flotantes han sido una parte vital del sector energético, continuamente sometidas a innovaciones, y deben cumplir una amplia gama de normas, reglas y reglamentos industriales para funcionar de forma segura y fiable. Dado que las estructuras marinas trabajan en entornos de estrés extremo, es crucial predecir con exactitud cómo reaccionarán ante ellos. Los organismos y organizaciones de normalización de todo el mundo han elaborado códigos y normas relevantes para la industria eólica marina fija de fondo y flotante. En la mayoría de los casos, las normas para las estructuras eólicas fijadas en el fondo también se aplican a las eólicas flotantes.
Dado que DNV e IEC son los líderes en el desarrollo de códigos y normas para estructuras eólicas marinas fijas en el fondo, numerosos problemas característicos de la eólica marina flotante también están cubiertos en sus requisitos y recomendaciones. A continuación se enumeran las normas más relevantes para el amarre y las cimentaciones de la eólica marina.
- DNVGL-ST-0054 para Transporte e instalación de turbinas eólicas marinas;
- DNVGL-ST-0126 para Estructuras de soporte para turbinas eólicas;
- DNVGL-ST-0437 para Condiciones de carga y emplazamiento para aerogeneradores;
- DNVGL-RP-C203 (Práctica recomendada para el diseño por fatiga de estructuras de acero en alta mar);
- DNVGL-OS-C201 y DNVGL-OS-C101 para la comprobación de la resistencia de las soldaduras;
- DNV-RP-C201 (Resistencia al pandeo de estructuras chapadas).
Mientras que normas como DNVGL-ST-0119 para Estructuras de turbinas eólicas flotantes y DNVGL-RU-OU-0512 para Instalaciones de turbinas eólicas marinas flotantes son específicas para las FOW, ya que para la eólica flotante debe realizarse una evaluación más específica del emplazamiento y del flotador.
Entre las normas del sector de la eólica marina flotante, según Clasificación y certificación de aerogeneradores mar inos flotantes de Bureau Veritas, se encuentran:
- Las normas del AISC;
- API RP 2A (Práctica recomendada para la planificación, el diseño y la construcción de plataformas fijas en alta mar);
- API RP 2T (Práctica recomendada para la planificación, diseño y construcción de plataformas de patas de tensión);
- EN 1993-1 (Diseño de estructuras de acero);
- ISO 19902 (Industrias del petróleo y del gas natural – Estructuras fijas de acero en alta mar).
La Guía ABS para la construcción y clasificación de aerogeneradores marinos también contiene información detallada sobre las normas.
Las normas desarrolladas cubren los requisitos de la estructura de acero en todas las condiciones de trabajo y los problemas que pueden plantearse a las estructuras en alta mar durante su vida útil, incluida la fase de desmantelamiento, en la que es crucial garantizar la estabilidad y un funcionamiento seguro. Las normas tienen en cuenta las zonas de presión del viento basadas en las velocidades medias del viento y los factores de ráfaga, proporcionando un marco para evaluar las cargas del viento. Dado que las condiciones reales del viento pueden variar significativamente respecto a las previstas, las normas orientan sobre cómo considerar los efectos de la topografía local, y la forma de la estructura, para realizar cálculos más precisos. Además, a menudo se incluyen anexos nacionales en las normas globales para proporcionar orientación e información específicas sobre cómo debe aplicarse la norma dentro del país concreto en función de las zonas de viento adicionales, las velocidades del viento de diseño específicas y la direccionalidad o los requisitos específicos para obtener permisos de construcción, pruebas y requisitos de certificación.
Problemas comunes de verificación de las centrales eólicas marinas flotantes
La verificación de estas plantas puede ser complicada y llevar mucho tiempo, y el potencial de errores costosos es alto. La verificación de las plantas eólicas marinas flotantes exige evaluar muchos aspectos de su integridad estructural. ¿Cuál es exactamente la carga de las olas, el viento y el riesgo de fallo de las estructuras? ¿Cómo verificar una estructura tan compleja sin realizar enormes inversiones en numerosos prototipos? La simulación del modelo de la estructura offshore es la forma probada de investigar el estado real del análisis de la estructura. Permite crear y analizar copias precisas de la estructura existente o de la que debe modificarse, transportarse o desmantelarse, comprender las razones de los problemas potenciales y sus ubicaciones precisas, y predecir el periodo de vida útil de la estructura.
Las tareas típicas que se le plantean al ingeniero estructural de estructuras eólicas marinas flotantes son:
- Evaluación de la fatiga – utilizando normas de fatiga como DNV-RP-C203 para el análisis de la fatiga;
- Debe verificarse la estabilidad estructural de todas las placas rigidizadas y no rigidizadas con los rigidizadores dentro de la torre eólica, por ejemplo, según DNV-RP-C20;
- Los miembros tubulares, las uniones tubulares y las transiciones cónicas deberán diseñarse y comprobarse de acuerdo con Norsok N004, ISO 19902, API RP 2A-WSD o API RP 2A-LRFD; las vigas, pilares y marcos no tubulares deberán cumplir la norma EN 1993-1-1 (Eurocódigo 3) o la norma AISC;
- Todos los pernos y uniones atornilladas que puedan diseñarse y comprobarse según el Eurocódigo 3 (EN 1993-1-8) o la norma AISC.
- Las estructuras de soporte flotantes de los aerogeneradores y sus sistemas de mantenimiento de posición deben diseñarse contra los Estados Límite Accidentales (ELA).
- Las estructuras de soporte de hormigón flotantes para aerogeneradores flotantes deben diseñarse de acuerdo con DNVGL-ST-0126 (Estructuras de soporte para aerogeneradores) junto con DNVGL-ST-C502 (Estructuras de hormigón en alta mar) o EN 1992-1-1 (Eurocódigo 2: Diseño de estructuras de hormigón) como norma básica de diseño;
- La capacidad de todas las soldaduras debe comprobarse según DNV OS-C201 o DNV OS-C201.
Experiencia probada de SDC Verifier
SDC Verifier ha implementado prácticas, normas y reglamentos recomendados que pueden utilizarse para la verificación de estructuras fijas y flotantes de la industria eólica marina. Con SDC Verifier, los ingenieros no tienen que comprobar las estructuras manualmente elemento por elemento: todos los parámetros se comprueban automáticamente en varias combinaciones de cargas y modos de funcionamiento según el procedimiento de las normas offshore. Si las fórmulas de las normas offshore deben ajustarse según los requisitos de la empresa o se necesita realizar alguna comprobación personalizada, existe la posibilidad de escribirlas en el editor de fórmulas ampliado con todos los datos de AEF.
Si la tarea no consiste sólo en verificar la energía eólica marina flotante de acuerdo con las normas, sino también en idear una solución que funcione, SDC Verifier dispone de un módulo de optimización que ayuda a optimizar automáticamente los elementos estructurales de AEF, como vigas, placas y soldaduras, para que superen los requisitos de las normas.
El diseñador de informes ayuda a elaborar automáticamente un informe de cálculo, útil para la certificación FOW o para mostrar el avance de los trabajos o una visión general de los resultados al cliente con un breve resumen al final.
En los próximos años, se espera que crezca el uso de turbinas eólicas, ya que son una fuente de electricidad útil y libre de emisiones. Junto con este crecimiento surgirán sin duda nuevos retos, entre ellos la necesidad de revisar las estructuras nuevas y antiguas de acuerdo con las normas del sector.
