“CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOSTENIBLE” Proyecto fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Autor: ________________________, (DNI.: ____________) Fecha de presentación: Albacete a 26 de Marzo de 2.010 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE RESUMEN ...................................................................................................................... 4 RECURSOS EÓLICOS.- TEORIA.-............................................................................ 5 ¿De dónde viene la energía eólica? ............................................................................... 5 Las diferencias de temperatura conllevan la circulación de aire................................... 5 La fuerza de Coriolis ..................................................................................................... 6 Cómo afecta la fuerza de Coriolis a los vientos globales.............................................. 6 Vientos geostróficos ................................................................................................. 7 Vientos de superficie ................................................................................................ 7 Vientos locales: brisas marinas ..................................................................................... 7 Brisas marinas .......................................................................................................... 7 La energía en el viento: densidad del aire y área de barrido del rotor .......................... 8 Densidad del aire........................................................................................................... 8 La potencia del viento: cubo de la velocidad del viento ............................................... 8 Medición de la velocidad del viento: anemómetros...................................................... 9 Mediciones de la velocidad del viento en la práctica ............................................. 10 ¿Qué mástil elegir? ................................................................................................. 10 El registrador de datos ('data logger') ..................................................................... 10 Condiciones árticas................................................................................................. 11 Medias de 10 minutos............................................................................................. 11 La rosa de los vientos .................................................................................................. 11 EL EMPLAZAMIENTO ............................................................................................. 12 Rugosidad y cizallamiento del viento ......................................................................... 12 Rugosidad ............................................................................................................... 12 Clase de rugosidad y longitud de rugosidad....................................................... 12 Efecto de la estela........................................................................................................ 12 El efecto del parque..................................................................................................... 13 Distribución en planta del parque........................................................................... 13 Pérdida de energía debida al efecto del parque ...................................................... 14 Las condiciones eólicas en el mar ............................................................................... 14 LA ENERGÍA EÓLICA MARINA “OFFSHORE” ................................................. 15 Introducción ................................................................................................................ 15 ¿Por qué en el mar? ..................................................................................................... 15 Breve historia de las instalaciones marinas................................................................. 16 Sistemas de montaje y costes de inversión. ................................................................ 18 Vida de diseño de los parques eólicos marinos........................................................... 19 Tipos de sistemas de construcción funcionales en la actualidad................................. 19 1.- Cimentaciones marinas: hormigón tradicional.................................................. 19 2.- Cimentaciones marinas: gravedad + acero........................................................ 20 3.- Cimentaciones marinas: el monopilote ............................................................. 21 4.- Cimentaciones marinas: el trípode .................................................................... 23 EL FUTURO DE LA INSTALACIÓN DE LOS AEROGENERADORES MARINOS “OFFSHORE”.......................................................................................... 23 El proyecto HYWIND................................................................................................. 24 El proyecto Mustard Seed ........................................................................................... 25 Resumen de los sistemas de instalación de aerogeneradores marinos:....................... 26 Cómo llega la energía a tierra ..................................................................................... 27 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Protección del medio ambiente: Aves y ruido generado............................................. 27 El mantenimiento. ....................................................................................................... 28 EVOLUCIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA MARINA EN EUROPA.................... 29 EVOLUCIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA MARINA EN ESPAÑA .................... 29 Principales enclaves Españoles eólicos marinos......................................................... 31 Galicia..................................................................................................................... 31 Golfo de Cádiz........................................................................................................ 31 Costa Mediterránea................................................................................................. 32 Islas Canarias.......................................................................................................... 32 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 32 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 33 ANEXO 1: INSTALACIONES EÓLICAS MARINAS OPERATIVAS EN EUROPA ....................................................................................................................... 34 ANEXO 2: MAPAS EÓLICOS................................................................................... 38 3 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE RESUMEN La evolución en la tecnologías, así como un mayor conocimiento de los medios energéticos disponibles en el plantea, hace de la energía eólica una de las principales fuentes energéticas que se están empleando para apaliar las altas emisiones de CO2 que emiten a la atmósfera las grandes centrales de energía actuales. La fuerte crecida de la energía eólica terrestre, denominada Onshore, es como consecuencia de esa evolución técnica, que de algún modo, ha venido cogida de la mano por las primas económicas que los gobiernos de los distintos países de la Unión Europea han proporcionado a los digámoslo de este modo, “pobres inversores”, fomentando que con miles y miles de millones de euros, investiguen y desarrollen nuevos generadores, torres, palas, multiplicadoras,… y así un largo etcétera, que finalizan con un nuevo campo energético por descubrir, el aprovechamiento de la energía eólica marina. Esta energía eólica marina, denominada Offshore, es bastante superior a la energía que se puede obtener de la eólica terrestre, pero como veremos en el presente trabajo ni los grandes costes que conllevan estas instalaciones, ni lo problemas que no pueden surgir en alta mar, pueden detener el avance de esta nueva tecnología. España, pionera en el mundo de la energía eólica terrestre, se ve rezagada del grupo de cabeza de la energía eólica marina por los motivos que el presente trabajo tratará de explicar y aclarar al lector. 4 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Recursos eólicos.- TEORIA.¿De dónde viene la energía eólica? Todas las fuentes geotérmica), e incluso la último término, del sol. El hora hacia la Tierra. En potencia. de energía renovables (excepto la maremotriz y la energía de los combustibles fósiles, provienen, en sol irradia 174.423.000.000.000 kWh de energía por otras palabras, la Tierra recibe 1,74 x 1017 W de Alrededor de un 1 a un 2 por ciento de la energía proveniente del sol es convertida en energía eólica. Esto supone una energía alrededor de 50 a 100 veces superior a la convertida en biomasa por todas las plantas de la tierra. Las diferencias de temperatura conllevan la circulación de aire Las regiones alrededor del ecuador, a 0° de latitud, son calentadas por el sol más que las zonas del resto del globo. Estas áreas calientes están indicadas en colores cálidos, rojo, naranja y amarillo, en esta imagen de rayos infrarrojos de la superficie del mar (tomada de un satélite de la NASA, NOAA-7, en julio de 1984). El aire caliente es más ligero que el aire frío, por lo que subirá hasta alcanzar una altura aproximada de 10 km y se extenderá hacia el norte y hacia el sur. Si el globo no rotase, el aire simplemente llegaría al Polo Norte y al Polo Sur, para posteriormente descender y volver al ecuador. 1) La potencia emitida por el Sol sobre la superficie de la esfera que tiene al Sol como su centro y el radio promedio de la trayectoria terrestre es de 1.37 kW/m2. La potencia incide sobre un disco circular con un área de 1.27 x 1014 m2 . La potencia emitida a la Tierra es, por tanto, de 1.74 x 1017 W. 2) En promedio, la producción primaria neta de las plantas está alrededor de 4.95 x 106 calorías por metro cuadrado y por año. Esto la producción primaria neta global, es decir, la cantidad de energía disponible en todos los posteriores eslabones de la cadena alimenticia/energética. El área de la superficie de la Tierra es de 5.09 x 1014 m2. Así pues, la cantidad de potencia neta almacenada por las plantas es de 1.91 x 1013 W, lo cual equivale al 0.011% de la potencia emitida a la Tierra. 5 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE La fuerza de Coriolis Debido a la rotación del globo, cualquier movimiento en el hemisferio norte es desviado hacia la derecha, si se mira desde nuestra posición en el suelo (en el hemisferio sur es desviado hacia la izquierda). Esta aparente fuerza de curvatura es conocida como fuerza de Coriolis (debido al matemático francés Gustave Gaspard Coriolis 1792-1843). La fuerza de Coriolis es un fenómeno visible. Las vías del ferrocarril se desgastan más rápidamente de un lado que del otro. Las cuencas de los ríos están excavadas más profundamente en una cara que en la otra (de cual se trate depende en qué hemisferio nos encontremos: en el hemisferio norte las partículas sueltas son desviadas hacia la derecha). En el hemisferio norte el viento tiende a girar en el sentido contrario al de las agujas del reloj (visto desde arriba) cuando se acerca a un área de bajas presiones. En el hemisferio sur el viento gira en el sentido de las agujas del reloj alrededor de áreas de bajas presiones. En la página siguiente veremos como la fuerza de Coriolis afecta a las direcciones del viento en el globo. Cómo afecta la fuerza de Coriolis a los vientos globales El viento sube desde el ecuador y se desplaza hacia el norte y hacia el sur en las capas más altas de la atmósfera. Alrededor de los 30° de latitud en ambos hemisferios la fuerza de Coriolis evita que el viento se desplace más allá. En esa latitud se encuentra un área de altas presiones, por lo que el aire empieza a descender de nuevo. Cuando el viento suba desde el ecuador habrá un área de bajas presiones cerca del nivel del suelo atrayendo los vientos del norte y del sur. En los polos, habrá altas presiones debido al aire frío. Teniendo en mente la fuerza de curvatura de la fuerza de Coriolis, obtenemos los siguientes resultados generales de las direcciones del viento dominantes: Latitud 90-60°N 60-30°N 30-0°N Dirección NE SO NE 0-30°S 30-60°S 60-90°S SE NO SE El espesor de la atmósfera está exagerado en el dibujo de arriba (hecho a partir de una fotografía tomada desde el satélite de la NASA GOES-8). Realmente la atmósfera tiene un espesor de sólo 10 km, lo que representa 1/1200 del diámetro del globo. Esta parte de la atmósfera, conocida con el nombre de troposfera, es donde ocurren todos los fenómenos meteorológicos (y también el efecto invernadero). Las direcciones dominantes del viento son importantes para el emplazamiento de un aerogenerador, ya que obviamente querremos situarlo en un lugar en el que haya el mínimo número de obstáculos posibles para las 6 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE direcciones dominantes del viento. Sin embargo la geografía local puede influenciar en los resultados de la tabla anterior. Vientos geostróficos La atmósfera (Troposfera) es una capa muy fina alrededor del globo. El globo tiene un diámetro de 12.000 km. La troposfera, que se extiende hasta los 11 km de altitud, es donde tienen lugar todos los fenómenos meteorológicos y el efecto invernadero. Los vientos geostróficos son generados, principalmente, por las diferencias de temperatura, así como por las de presión, y apenas son influenciados por la superficie de la tierra. Los vientos geostróficos se encuentran a una altura de 1.000 metros a partir del nivel del suelo. La velocidad de los vientos geostróficos puede ser medida utilizando globos sonda. Vientos de superficie Los vientos están mucho más influenciados por la superficie terrestre a altitudes de hasta 100 metros. El viento es frenado por la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos, como veremos seguidamente. Las direcciones del viento cerca de la superficie serán ligeramente diferentes de las de los vientos geostróficos debido a la rotación de la tierra (ver fuerza de Coriolis). Tratándose de energía eólica interesará conocer los vientos de superficie y cómo calcular la energía aprovechable del viento. Vientos locales: brisas marinas Aunque los vientos globales son importantes en la determinación de los vientos dominantes de un área determinada, las condiciones climáticas locales pueden influir en las direcciones de viento más comunes. Los vientos locales siempre se superponen en los sistemas eólicos a gran escala, esto es, la dirección del viento es influenciada por la suma de los efectos global y local. Cuando los vientos a gran escala son suaves, los vientos locales pueden dominar los regímenes de viento. Brisas marinas Durante el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar por efecto del sol. El aire sube, circula hacia el mar, y crea una depresión a nivel del suelo que atrae el aire frío del mar. Esto es lo que se llama brisa marina. A menudo hay un periodo de calma al anochecer, cuando las temperaturas del suelo y del mar se igualan. Durante la noche los vientos soplan en sentido contrario. Normalmente durante la noche la brisa terrestre tiene velocidades inferiores, debido a que la diferencia de temperaturas entre la tierra y el mar es más pequeña. El conocido monzón del sureste asiático es en realidad un forma a gran escala de la brisa marina y la brisa terrestre, variando su dirección según la 7 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE estación, debido a que la tierra se calienta o enfría más rápidamente que el mar. La energía en el viento: densidad del aire y área de barrido 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 energía transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del área de barrido del rotor y de la velocidad del viento. La animación muestra cómo una porción cilíndrica de aire de 1 metro de espesor pasa a través del rotor de un aerogenerador típico de 1.000 kW. Con un rotor de 54 metros de diámetro cada cilindro pesa realmente 2,8 toneladas, es decir, 2.300 veces 1,225 kg. Densidad del aire La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso). Así, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen. En otras palabras, cuanto "más pesado" sea el aire más energía recibirá la turbina. A presión atmosférica normal y a 15° C el aire pesa unos 1,225 kilogramos por metro cúbico, aunque la densidad disminuye ligeramente con el aumento de la humedad. Además, el aire es más denso cuando hace frío que cuando hace calor. A grandes altitudes (en las montañas) la presión del aire es más baja y el aire es menos denso. La potencia del viento: cubo de la velocidad del viento La velocidad del viento es muy importante para la cantidad de energía que un aerogenerador puede transformar en electricidad: la cantidad de energía que posee el viento varía con el cubo (la tercera potencia) de la velocidad media del viento; por ejemplo, si la velocidad del viento se duplica la cantidad de energía que contenga será 23 = 2 x 2 x 2 = ocho veces mayor. Ahora bien, ¿por qué la energía que contiene el viento varía con la tercera potencia de su velocidad? Por ejemplo, al doblar la velocidad de un coche la energía de frenado para pararlo completamente será 8 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE cuatro veces mayor (se trata básicamente de la segunda ley de Newton de la cinemática). En el caso de turbinas eólicas usamos la energía de frenado del viento, por lo que si doblamos la velocidad del viento tendremos dos veces más porciones cilíndricas de viento moviéndose a través del rotor cada segundo, y cada una de esas porciones contiene cuatro veces más energía, como se ha visto en el ejemplo del frenado de un coche. El gráfico muestra que con una velocidad del viento de 8 metros por segundo obtenemos una potencia (cantidad de energía por segundo) de 314 W por cada metro cuadrado expuesto al viento (viento incidiendo perpendicularmente al área barrida por el rotor). A 16 m/s obtendremos una potencia ocho veces mayor, esto es, 2.509 W/m Medición de la velocidad del viento: anemómetros Las mediciones de las velocidades del viento se realizan normalmente usando un anemómetro de cazoletas, similar al del dibujo de la izquierda. El anemómetro de cazoletas tiene un eje vertical y tres cazoletas que capturan el viento. El número de revoluciones por segundo son registradas electrónicamente. Normalmente, el anemómetro está provisto de una veleta para detectar la dirección del viento. En lugar de cazoletas el anemómetro puede estar equipado con hélices, aunque no es lo habitual. Otros tipos de anemómetros incluyen ultrasonidos o anemómetros provistos de láser que detectan el desfase del sonido o la luz coherente reflejada por las moléculas de aire. Los anemómetros de hilo electrocalentado detectan la velocidad del viento mediante pequeñas diferencias de temperatura entre los cables situados en el viento y en la sombra del viento (cara a sotavento). La ventaja de los anemómetros no mecánicos es que son menos sensibles a la formación de hielo. Sin embargo en la práctica los anemómetros de cazoletas son ampliamente utilizados, y modelos especiales con ejes y cazoletas eléctricamente calentados pueden ser usados en las zonas árticas. Los anemómetros de calidad son una necesidad para las mediciones de energía eólica ya que los anemómetros económicos no resultan de utilidad en las mediciones de la velocidad de viento que se llevan a cabo en la industria eólica, dado que pueden ser muy imprecisos y estar pobremente calibrados, con errores en la medición de quizás el 5 por ciento, e incluso del 10 por ciento. La mala elección de un anemómetro, eligiéndose en el caso del más económico, es posible que mida las velocidades de viento con un error del 10%. En ese caso, la medición se expone a contar con un contenido energético del viento que es 1,1 3 -1= 33% más elevado de lo que es en realidad. Si esto lo extrapolamos y recalculamos las mediciones para una altura de buje del aerogenerador distinta (digamos de 10 a 50 metros de altura), ese error podrá incluso multiplicarse por un factor del 1,3, con lo que sus cálculos de energía acabarán con un error del 75%. 9 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE La compra de un anemómetro profesional y bien calibrado, con un error de medición alrededor del 1%, por unos 700-900 dólares americanos, lo que no es nada comparado con el riesgo de cometer un error económico potencialmente desastroso. Naturalmente, el precio puede no resultar siempre un indicador fiable de la calidad, por lo que es importante informarse de cuáles son los institutos de investigación en energía eólica bien reputados y pedirles consejo en la compra de anemómetros. Extrapolando el anemómetro a un aerogenerador ya instalado, solamente se utiliza para determinar si sopla viento suficiente como para que valga la pena orientar el rotor del aerogenerador en contra del viento y ponerlo en marcha. Mediciones de la velocidad del viento en la práctica La mejor forma de medir la velocidad del viento en una futura localización de una turbina eólica es situar un anemómetro en el extremo superior de un mástil que tenga la misma altura que la altura de buje esperada de la turbina que se va a utilizar. Esto evita la incertidumbre que conlleva el recalcular la velocidad del viento a una altura diferente. Colocando el anemómetro en la parte superior del mástil se minimizan las perturbaciones de las corrientes de aire creadas por el propio mástil. Si el anemómetro está situado en la parte lateral del mástil es fundamental enfocarlos en la dirección de viento dominante para minimizar el abrigo del viento de la torre. ¿Qué mástil elegir? Para evitar el abrigo de viento, en lugar de utilizar torres de celosía, normalmente se utilizan postes cilíndricos delgados, tensados con vientos, en los que se colocan los mecanismos de medición del viento. Los postes son suministrados en kits de fácil ensamblaje, se puede instalar un mástil para mediciones de viento en la altura del buje de una (futura) turbina sin necesidad de una grúa. El anemómetro, el poste y el registrador de datos suele costar alrededor de 5.000 dólares americanos. El registrador de datos ('data logger') Los datos de las velocidades y direcciones del viento obtenidos por el anemómetro son recogidos en un chip electrónico en una pequeña computadora, el registrador de datos ('data logger'), que puede funcionar con batería durante un largo período de tiempo. 10 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Es posible que una vez al mes sea necesario ir hasta el registrador a recoger el chip y remplazarlo por otro virgen que recoja los datos del mes siguiente. Condiciones árticas Si hay muchas lluvias heladas en la zona o escarcha en las montañas, puede necesitar un anemómetro calentado, que requiere una conexión a la red eléctrica para hacer funcionar el calentador. Medias de 10 minutos Las velocidades del viento son medidas en medias de 10 minutos para que sea compatible con la mayoría de programas estándar (y con la bibliografía sobre el tema). Los resultados en las velocidades del viento son diferentes si se utilizan diferentes periodos de tiempo para calcular las medias, como se verá posteriormente. La rosa de los vientos Rosa de los vientos de Brest (Francia), tomada del Atlas Eólico Europeo, Riso National Laboratory (Dinamarca), sirve para mostrar la información sobre las distribuciones de velocidades del viento y la frecuencia de variación de las direcciones del viento, puede dibujarse la llamada rosa de los vientos basándose en observaciones meteorológicas de las velocidades y direcciones del viento. En la imagen se muestra la rosa de los vientos de Brest, en la costa Atlántica de Francia. Se encuentra dividida en doce sectores, abarcando cada uno 30° del horizonte que se suele utilizar como estándar. El radio de las cuñas amplias (las más exteriores) proporciona la frecuencia relativa de cada una de las doce direcciones del viento, es decir, qué tanto por ciento del tiempo el viento sopla desde esa dirección. La segunda cuña da la misma información pero multiplicada por la media de la velocidad del viento en cada dirección particular. El resultado se normaliza sumando hasta el 100 por cien. Esto indica la contribución de cada sector en la velocidad media del viento en nuestra ubicación particular. La cuña más interior (en rojo) proporciona la misma información que la primera pero multiplicada por el cubo de la velocidad del viento en cada ubicación. El resultado se normaliza sumando hasta el 100 por cien. Esto indica la contribución de cada sector en la energía contenida en el viento en nuestra ubicación particular. Por tanto, las cuñas rojas son en realidad las más interesantes. Indican donde encontrar una mayor potencia que impulse nuestros aerogeneradores. En este caso podemos ver que la dirección de viento dominante es la Sudoeste. Una rosa de los vientos proporciona información sobre las velocidades relativas del viento en diferentes direcciones, es decir, cada uno de los tres 11 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE grupos de datos ha sido multiplicado por un número que asegura que la cuña más larga del grupo mide exactamente lo mismo que el radio del círculo más exterior del diagrama. EL EMPLAZAMIENTO Rugosidad y cizallamiento del viento A una gran altura de la superficie del suelo, alrededor de un kilómetro, la superficie terrestre apenas ejerce influencia alguna sobre el viento. Sin embargo, en las capas más bajas de la atmósfera, las velocidades del viento se ven afectadas por la fricción con la superficie terrestre. En la industria eólica se distingue entre rugosidad del terreno, la influencia de los obstáculos, y la influencia del contorno del terreno, también llamada orografía del área. Trataremos de la orografía cuando investigamos los llamados efectos aceleradores, a saber, el efecto túnel y el efecto de la colina. Rugosidad En general, cuanto más pronunciada sea la rugosidad del terreno mayor será la ralentización que experimente el viento. Obviamente, los bosques y las grandes ciudades ralentizan mucho el viento, mientras que las pistas de hormigón de los aeropuertos sólo lo ralentizan ligeramente. Las superficies de agua son incluso más lisas que las pistas de hormigón, y tendrán por tanto menos influencia sobre el viento, mientras que la hierba alta y los arbustos ralentizan el viento de forma considerable. Clase de rugosidad y longitud de rugosidad En la industria eólica, la gente suele referirse a clase de rugosidad o longitud de rugosidad cuando se trata de evaluar las condiciones eólicas de un paisaje. Una alta rugosidad de clase 3 ó 4 se refiere a un paisaje con muchos árboles y edificios, mientras que a la superficie del mar le corresponde una rugosidad de clase 0. Las pistas de hormigón de los aeropuertos pertenecen a la clase de rugosidad 0.5, al igual que el paisaje abierto y llano pacido por las ovejas. Las ovejas son las mejores amigas de los aerogeneradores, ya que mantienen una baja rugosidad gracias a su pastoreo. En cambio las ciudades con edificios altos tienen una clase de ciudad 4, siendo esta la de mayor escala. El término longitud de rugosidad es en realidad la distancia sobre el nivel del suelo a la que teóricamente la velocidad del viento debería ser nula. Efecto de la estela Dado que un aerogenerador produce energía a partir de la energía del viento, el viento que abandona la turbina debe tener un contenido energético menor que el que llega a la turbina. 12 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Esto se deduce directamente del hecho de que la energía ni se crea ni se destruye. Un aerogenerador siempre va a crear un abrigo en la dirección a favor del viento. De hecho, habrá una estela tras la turbina, es decir, una larga cola de viento bastante turbulenta y ralentizada, si se compara con el viento que llega a la turbina (la expresión estela proviene, obviamente, de la estela que deja un barco tras de si). Realmente puede verse la estela tras un aerogenerador si se le añade humo al aire que va a pasar a través de la turbina, tal y como se ha hecho en la imagen. (En imagen el ensayo del efecto de la estela en un aerogenerador) En los parques eólicos, para evitar una turbulencia excesiva corriente abajo alrededor de las turbinas, cada una de ellas suele estar separada del resto una distancia mínima equivalente a tres diámetros del rotor. En las direcciones de viento dominante esta separación es incluso mayor. El efecto del parque Como consecuencia del efecto de la estela, cada aerogenerador ralentizará el viento tras de sí al obtener energía de él para convertirla en electricidad. Por tanto, lo ideal sería poder separar las turbinas lo máximo posible en la dirección de viento dominante. Pero por otra parte, el coste del terreno y de la conexión de los aerogeneradores a la red eléctrica aconseja instalar las turbinas más cerca unas de otras. Distribución en planta del parque Como norma general, la separación entre aerogeneradores en un parque eólico es de 5 a 9 diámetros de rotor en la dirección de los vientos dominantes, y de 3 a 5 diámetros de rotor en la dirección perpendicular a los vientos dominantes. En este dibujo se han situado 3 filas de cinco turbinas cada una siguiendo un modelo totalmente típico. Las turbinas (los puntos blancos) están 13 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE separadas 7 diámetros en la dirección de viento dominante y 4 diámetros en la dirección perpendicular a la de los vientos dominantes. Pérdida de energía debida al efecto del parque Una vez conocemos el rotor de la turbina eólica, la rosa de los vientos, la distribución de Weibull y la rugosidad en las diferentes direcciones, los fabricantes o proyectistas pueden calcular la pérdida de energía debida al apantallamiento entre aerogeneradores. Se estima que la pérdida de energía típica es de alrededor del 5 por ciento. Las condiciones eólicas en el mar Las superficies de mares y lagos son obviamente muy lisas, por lo que la rugosidad de la superficie marina es muy baja (a velocidades del viento constantes). Con velocidades de viento crecientes, parte de la energía se emplea en producir oleaje, lo que implica un aumento de la rugosidad. Una vez se han formado las olas, la rugosidad decrece de nuevo. Por tanto tenemos una superficie de rugosidad variable (lo mismo ocurre en zonas cubiertas con más o menos nieve). Sin embargo, si generalizamos, puede considerarse que la rugosidad de la superficie del agua es muy baja y que los obstáculos del viento son pocos. Al realizar los cálculos deberán tenerse en cuenta islas, faros, etc. tal y como se tendrían en cuenta los obstáculos situados en la dirección de donde viene el viento o los cambios de rugosidad en la tierra. Con una baja rugosidad, el cizallamiento del viento en el mar es también muy bajo, lo que implica que la velocidad del viento no experimenta grandes cambios al variar la altura del buje del aerogenerador. Así pues, puede resultar más económico utilizar torres más bien bajas, de alrededor de 0,75 veces el diámetro del rotor, en aerogeneradores emplazados en el mar, dependiendo de las condiciones locales (normalmente, las torres de los aerogeneradores situados en tierra miden un diámetro de rotor, o incluso más). El viento en el mar es generalmente menos turbulento que en tierra, por lo que en un aerogenerador situado en el mar 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 diferentes altitudes de la atmósfera que hay sobre el mar son inferiores a las que hay sobre la tierra. La radiación solar puede penetrar varios metros bajo el mar mientras que en tierra la radiación solar sólo calienta la capa superior del suelo, que llega a estar mucho más caliente. Consecuentemente, las diferencias de temperatura entre la superficie y el aire serán menores sobre el mar que sobre la tierra. Esto es lo que provoca que la turbulencia sea menor. Por lo tanto baja intensidad de las turbulencias = mayor tiempo de vida de los aerogeneradores 14 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE La energía eólica marina “OFFSHORE” Introducción La energía eólica marina es, al igual que la eólica terrestre, una aplicación de la fuerza producida por el viento. La diferencia respecto a la obtenida en tierra radica en que los aerogeneradores se ubican mar adentro. Su coste de instalación es muy superior al de las zonas terrestres, pero también su vida útil es mayor. Además, los costes de las cimentaciones y anclajes han disminuido de forma espectacular en los últimos años, con lo que el precio del megawatio (MW) de potencia se está igualando al de otras energías renovables. Dinamarca es el país que inició la energía eólica marina y en sus mares se encuentran en la actualidad los mayores parques de aerogeneradores. Esta manera de obtención de energía cuenta además con el beneplácito de organizaciones ecologistas como Greenpeace, que apuestan por ella por su carácter renovable y su escasa incidencia en el ecosistema. ¿Por qué en el mar? La energía eólica marina tiene, según los expertos, un futuro prometedor, sobre todo en países con una alta densidad de población que reduce las posibilidades de hallar un emplazamiento apropiado en tierra. En el mar, el viento se encuentra con una superficie de rugosidad poco variable como son las olas y sin obstáculos como son las islas, islotes, etc., lo que implica que la velocidad del viento no experimenta grandes cambios. Así, pueden emplazarse torres más bajas que en la superficie terrestre. Además, el viento es, por lo general, menos turbulento que en tierra, con lo que se amplía el periodo de trabajo útil de un aerogenerador. La baja turbulencia del mar se debe, ante todo, al hecho de que las diferencias de temperatura a distintas altitudes de la atmósfera que se producen sobre el mar son inferiores a las de tierra adentro. Por lo tanto las principales ventajas de los aerogeneradores marinos (offshore) respecto a los aerogeneradores terrestres (onshore) son: • No presentan limitaciones en cuanto al uso del suelo y de los diversos impactos, como el visual, paisajísticos uso de espacios naturales con otras aplicaciones. • No hay problemas de impacto sonoro (ruido), por lo que pueden girar a mayor velocidad. En aplicaciones terrestres, la velocidad del extremo de la pala se limita a unos 65 m/s, mientras que en las marinas alcanzan entre 80 a 90 m/s. • La superficie marina está libre de obstáculos y presenta baja rugosidad superficial. • Debido a la menor rugosidad superficial y a la menor turbulencia, la velocidad del viento aumenta con la altura más rápidamente en comparación con la tierra, 15 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE por lo que las torres de instalaciones marinas pueden ser de menor altura que las terrestres, con la consiguiente disminución de los costos de inversión. Por esto se compensa en parte el sobrecosto de la construcción en la plataforma marina. • En general, la turbulencia del viento es mucho menor en el mar debido a la ausencia de obstáculos. De esto se derivan menores esfuerzos a la fatiga sobre el aerogenerador y un aumento de su vida útil. En la actualidad los parques eólicos marinos, se sitúan en aguas poco profundas, alejados de las rutas marinas comerciales, de los emplazamientos militares y de los espacios de interés natural u ornitológico. La distancia de la costa debe ser como mínimo de dos kilómetros para aprovechar mejor el régimen de vientos, de características diferentes a los que se presentan en tierra. Breve historia de las instalaciones marinas Las primeras propuestas de parques eólicos marinos tuvieron lugar en los años setenta. La primera turbina que se instaló fue en 1991 en Nogersud, mar Báltico, en Suecia, con una potencia de 220 kW (actualmente está fuera de funcionamiento). El primer parque marino fue de carácter demostrativo en Vindeby, Dinamarca, y comenzó su producción quince años atrás, en 1991, con 11 aerogeneradores Bonus de 450 kW con regulación por pérdida aerodinámica, y está situado entre 1,5 y 3 km al norte de la costa de la isla de Lolland, cerca del pueblo de Vindeby. Las turbinas fueron modificadas para permitir alojar grandes transformadores de alta tensión en el interior de las torres de las turbinas, y las puertas de entrada están situadas a un nivel más elevado de lo normal. Las mismas modificaciones se llevaron a cabo en el posterior proyecto de Tunø Knob. Dos anemómetros de mástil fueron situados en el emplazamiento para estudiar las condiciones eólicas, y particularmente la turbulencia. A partir de esos estudios, que fueron realizados por el Risø National Laboratory, se han obtenido diversos resultados interesantes de las condiciones eólicas marinas. El parque ha estado funcionando impecablemente. La producción de electricidad es de alrededor de un 20 por ciento superior a la de emplazamientos en tierra equiparables, aunque de alguna forma se ve disminuida por el abrigo del viento de la isla de Lolland al sur del parque. Le siguieron Holanda, Suecia e Inglaterra, con parques concebidos para la investigación y la exploración. El primer parque marino comercial se instaló en Middelgrunden, cerca del puerto de Copenhagen, Dinamarca, en el 2001. Consta de 20 aerogeneradores de 2 MW ubicados formando un arco. Con una potencia total de 40 MW, el parque eólico puede generar 90 TWh al año, lo que equivale al consumo energético anual de 20.000 hogares (daneses), o al 3 por ciento del consumo eléctrico total de Copenhague. 16 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Imagen: Primer parque marino comercial del mundo en Middelgrunden, Dinamarca Además de Dinamarca, Inglaterra, Holanda y Suecia, son los líderes mundiales en el recuento realizado por la EWEA en 2.009 (Asociación Europea de la Energía Eólica). La turbina más potente hasta la fecha instalada es de 2,9 MW. 17 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Potencia eólica marina instalada en el mundo (2009) Otros países, como China, Alemania y Estados Unidos se han propuesto programas ambiciosos de instalación de estos parques, con los objetivos siguientes: • Acercar los parques a las áreas cercanas a las regiones altamente consumidoras. • Disminuir problemas de transmisión y distribución interna dentro del país. Sistemas de montaje y costes de inversión. La principal limitación para un desarrollo más acelerado son los costos unitarios de inversión, que son mayores debido fundamentalmente a los gastos de construcción y de interconexión eléctrica con la costa. Dos compañías de energía danesas y tres empresas de ingeniería llevaron a cabo, durante 1996-1997, un estudio pionero sobre el diseño y los costes de las cimentaciones de aerogeneradores marinos. El informe concluía que el acero es mucho más competitivo que el hormigón para grandes parques eólicos marinos. Parece ser que todas las nuevas tecnologías resultarán económicas hasta los 15 m de profundidad como mínimo, y posiblemente también a mayores profundidades. En cualquier caso, el coste marginal al desplazarse hacia aguas más profundas es mucho menor de lo que se estimó en un principio. Con estos conceptos, los costes de cimentación y de conexión a red para las grandes turbinas de 1,5 MW son sólo del 10 al 20 por ciento superiores a los correspondientes costes de las turbinas de 450-500 kW utilizadas en los parques eólicos marinos de Vindeby (Dinamarca 1.991) y Tunø Knob (Dinamarca 1.995), en Dinamarca. 18 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Vida de diseño de los parques eólicos marinos Contrariamente a lo que se suele creer, la corrosión no es algo que preocupe especialmente en las construcciones de acero en el mar. La experiencia de las plataformas petrolíferas marinas ha demostrado que pueden ser correctamente protegidas utilizando una protección catódica (eléctrica) contra la corrosión. La protección superficial (pintura) de los aerogeneradores marinos se proporcionará por rutina con una clase de protección mayor que para las turbinas instaladas en tierra. Las plataformas petrolíferas marinas se construyen normalmente para durar 50 años. Ésta es también la vida de diseño de las cimentaciones de acero utilizada en estos estudios. Para los estudios se emplea como turbina de referencia, una turbina tripala con el rotor a barlovento y con una altura de buje de unos 55 metros y diámetro de rotor de alrededor de 64 metros. La altura de buje de la turbina de referencia es pequeña comparada con las típicas turbinas de ese tamaño instaladas en tierra. En el norte de Alemania la altura de buje típica de una turbina de 1,5 MW varía de 60 a 80 metros. Debido a que la superficies de agua son muy lisas (baja rugosidad), resulta rentable utilizar torres más bajas. Tipos de sistemas de construcción funcionales en la actualidad 1.- Cimentaciones marinas: hormigón tradicional Los primeros proyectos experimentales en Dinamarca (y en el mundo) utilizaron cimentaciones de cajón de hormigón (por gravedad). Como su propio nombre indica, una cimentación por gravedad cuenta con la gravedad para mantener la turbina en una posición vertical. El parque eólico marino de Vindeby y el de Tunø Knob son ejemplos de esta técnica de cimentación tradicional. Las cimentaciones de cajón son 19 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE construidas en diques secos cerca de los emplazamientos utilizando hormigón armado, y se llevan a su destino final antes de ser rellenadas con grava y arena hasta que alcanzan el peso necesario. Así pues, el principio se parece mucho a la construcción de puentes tradicionales. Las cimentaciones utilizadas en estos dos emplazamientos son cónicas con el fin de actuar como rompedores del hielo a la deriva, lo cual es necesario, pues tanto en el mar Báltico como en el Kattegat suelen observarse formaciones de hielo sólido durante los inviernos fríos. Desventaja del hormigón Utilizando técnicas de cimentación con hormigón, el coste de la cimentación completa viene a ser proporcional al cuadrado de la profundidad del agua (la regla cuadrática). Las profundidades del agua en Vindeby y Tunø Knob varían de 2,5 a 7,5 metros, lo que implica que cada cimentación de hormigón tiene un peso medio de unas 1050 Tm. De acuerdo con la regla cuadrática, las plataformas de hormigón se hacen prohibitivamente caras y pesadas de instalar a profundidades de agua de más de 10 metros. Así pues, han tenido que desarrollarse otras técnicas para poder atravesar la barrera del coste. 2.- Cimentaciones marinas: gravedad + acero La mayoría de parques eólicos marinos existentes utilizan cimentaciones por gravedad. Una nueva tecnología ofrece un método similar al de cajón de hormigón (por gravedad). En lugar de hormigón armado se utiliza un tubo de acero cilíndrico situado en una caja de acero plana sobre el lecho marino. Una cimentación de acero por gravedad es considerablemente más ligera que las cimentaciones de hormigón. Aunque la cimentación final debe tener un peso de aproximadamente 1000 toneladas, el peso de la estructura de acero será solamente de 80 a 100 toneladas para profundidades de agua entre 4 y 10 metros (en las estructuras del mar Báltico, que requieren protección contra el hielo a la deriva, deberán añadirse otras 10 toneladas). El relativo poco peso permite que los remolques transporten e instalen muchas cimentaciones a la vez, utilizando las mismas grúas relativamente ligeras utilizadas para el montaje de las turbinas. Las cimentaciones por gravedad se rellenan de olivina, que es un mineral muy denso, que proporciona la suficiente resistencia para que las cimentaciones soporten las olas y la presión del hielo. La base de una cimentación de este tipo será de 14 por 14 m (o de 15 m de diámetro para una base circular) para profundidades de agua de 4 a 10 m 20 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE (en caso de un aerogenerador con un diámetro del rotor de aproximadamente 65 m). Acondicionamiento del lecho marino La ventaja de la solución del cajón de acero es que la cimentación puede ser preparada en tierra, y puede ser utilizada en cualquier tipo de lecho marino, aunque se necesita un acondicionamiento previo del mismo. El limo tiene que ser eliminado y un lecho de grava debe ser preparado por buzos antes de colocar la cimentación en su emplazamiento. Protección contra la erosión Normalmente, el lecho marino de alrededor de la base de la cimentación deberá estar protegido contra la erosión colocando cantos rodados o rocas alrededor de los bordes de la base. Lo mismo ocurre con la versión en hormigón de las cimentaciones por gravedad, lo que hace que este tipo de cimentación sea relativamente más costoso en áreas con una erosión significativa. El coste de penalización que supone el moverse hacia aguas más profundas es mínimo si se compara con el de las cimentaciones de acero tradicionales. La razón es que la base de la cimentación no necesita crecer proporcionalmente con la profundidad del agua para hacer frente a la presión del hielo y las olas. Los costes estimados para este tipo de cimentación son, por ejemplo, de 2.343.000 coronas danesas (335.000 dólares americanos) para una máquina de 1,5 MW situada a 8 m de profundidad del agua en el mar Báltico (cifras de 1997). Estas cifras incluyen los costes de instalación. 3.- Cimentaciones marinas: el monopilote La cimentación monopilote es una construcción simple. La cimentación consta de un pilote de acero con un diámetro de entre 3,5 y 4,5 metros. El pilote está clavado de 10 a 20 metros en el lecho marino, dependiendo del tipo de subsuelo. Efectivamente, la cimentación de un solo pilote extiende la torre de la turbina a través del agua hasta el interior del lecho marino. Una ventaja importante de este tipo de cimentación es que no necesita que el lecho marino sea acondicionado. Por otro lado, requiere un equipo de pilotaje pesado, y no se aconseja este tipo de cimentación en localizaciones con muchos bloques de mineral en el lecho marino. Si se encuentra un bloque de mineral durante el pilotaje, es posible perforarlo y hacerlo volar con explosivos. El factor de dimensionamiento de la cimentación varía del mar del Norte al mar Báltico. En el mar de Norte es el tamaño de las olas quien determina la dimensión del pilote. En el mar Báltico es la presión del hielo a la deriva quien 21 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE decide el tamaño de la cimentación. Esta es la razón por la que los costes de la cimentación monopilote aumentan más rápidamente en el mar Báltico que en el mar del Norte. Los costes incluyen la instalación (precios de 1997). En este tipo de cimentación la erosión no será normalmente un problema. Imágenes margen superior: sistema de instalación de la base monopilote de acero, mediante el sistema de “martilleo”. En las imágenes inferiores se observa los barcos de montaje empleados, los cuales se sustentan sobre el lecho marino para facilitar las operaciones de montaje. 22 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE 4.- Cimentaciones marinas: el trípode La cimentación en trípode se inspira en las ligeras y rentables plataformas de acero con tres patas para campos petrolíferos marinos marginales en la industria del petróleo. Desde el pilote de acero bajo la torre de la turbina parte una estructura de acero que transfiere los esfuerzos de la torre a tres pilotes de acero. Los tres pilotes están clavados de 10 a 20 metros en el lecho marino, dependiendo de las condiciones del suelo y de las cargas del hielo. Ventajas del trípode La ventaja de un modelo de tres patas es que es apropiado para grandes profundidades del agua. Al mismo tiempo, sólo necesita una preparación mínima del emplazamiento antes de la instalación. Tecnología multipilote La cimentación es anclada al lecho marino mediante un pilote de acero relativamente pequeño (0,9 m) en cada esquina. Debido a requerimientos de pilotamiento, la cimentación en trípode no es apropiada para lechos marinos con múltiples y grandes bloques de roca. Consideraciones de erosión Normalmente la erosión no será un problema en este tipo de cimentación. Adecuada para mayores profundidades de agua Este tipo de cimentación no es conveniente para profundidades del agua menores a 6- 7 metros. La razón principal es que las embarcaciones de servicio a bajas profundidades tendrán problemas para acercarse a la cimentación debido a la estructura de acero. El futuro de este tipo de instalaciones son de alta mar (profundidades superiores a 50 metros). El futuro de la instalación de los aerogeneradores marinos “offshore” Las instalaciones en alta mar tienen un enorme potencial, la corriente tecnológica esta a llevando a cabo la investigación de nuevos sistemas de instalaciones en alta mar, pero hasta la fecha no se ha encontrado un sistema comercial factible para su instalación. Los fundamentos principales de la investigación y diseño están siendo tomados de la industria del petróleo y del gas. 23 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE El amplio interés de la tecnología eólica generada en alta mar, es la consecuencia de que los vientos marinos son más fuertes cuanto más lejos de la costa nos encontremos, siendo además muy importante la ocultación del impacto visual del litoral, evitando las oposiciones de los ciudadanos ante la contaminación visual que suponen. El grave coste es el mayor de todos los desafíos que se están contando la tecnología en la actualidad. Algunos prototipos son los siguientes. El proyecto HYWIND. Hasta la fecha, solo existe en el mundo una sola turbina flotante denominada el proyecto HYWIND. El aerogenerador Hywind, se encuentra instalado en el Mar del Norte fuera de Noruega. El Hywind fue remolcado a alta mar a principios de junio de 2009. El aerogenerador dispone una turbina de 2,3 megavatios y fue construida por Siemens Wind Power y montado sobre una torre flotante construida por Technip en Francia con una primera idea de proyecto para su instalación de 100 metros de profundidad. La instalación es propiedad de StatoilHydro y se pondrá a prueba durante dos años. Después del montaje en las aguas más tranquilas de Åmøy fiordo cerca de Stavanger, Noruega, los 120 metros de torre con una turbina de 2,3 MW fue remolcado 10 kilómetros mar adentro e instalada para una profundidad de 220 metros en las aguas profundas, se procedió a su instalación el 6 de junio de 2009 para implementación de prueba de dos años. 24 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Las autoridades competentes consideran que este primer aerogenerador marino debe contribuir a que los parques eólicos en alta mar se sitúen fuera de la vista. Su instalación ha potenciado el mercado mundial de turbinas, para aumentar su potencia y reducción de costes. El aerogenerador entro en funcionamiento en el verano de 2009. Hywind fue inaugurado el 8 de septiembre de 2009. La turbina de costó 62 millones de dólares, tanto en su construcción e instalación. Los 13 kilómetros de longitud de cable submarino de transmisión de potencia se instaló en julio de 2009 y la prueba del sistema, incluyendo las palas del rotor y de transmisión de potencia inicial se llevó a cabo poco después. La instalación se espera que genere cerca de 9 GWh de electricidad anualmente. La teoría se basa en el sistema “blue H” mediante el cual el aerogenerador se sustenta al fondo marino mediante un sistema de catenarias de anclaje y flotadores, tal y como muestra la imagen inferior. El proyecto Mustard Seed El primer aerogenerador mundial montado sobre de agua dulce se desplegó en el Lago Erie, a ocho millas de la costa de Cleveland, Ohio, en noviembre de 2009. Doce barriles rellenos de espuma se utilizaron como flotadores para un banco de pruebas que produce hasta 1,2 kilovatios de energía para la 25 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE electrónica a bordo. Según su organización matriz, el experimento de “Mustard Seed”, este sistema de energía eólica sobre agua dulce se ha desarrollado con "presupuesto y recursos limitados" y en el futuro conduciría a la instalación de energía eólica a gran escala sobre lagos y ríos. El problema del presente experimento es que los barriles se anclaron al suelo de barro del lago Erie y el equipo perdió la comunicación con el sistema durante las fuertes tormentas, varios días después de la implementación. Hasta la fecha, nunca ha sido encontrado o recuperado el equipo del experimento. Resumen de los sistemas de instalación de aerogeneradores marinos: 26 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Cómo llega la energía a tierra Los parques eólicos se conectan a tierra por cables submarinos enterrados para reducir el riesgo de daños ocasionados por equipos de pesca, anclas, etc. En zonas estratégicas del parque se colocan, entre otras instalaciones de servicio, subestaciones marinas formadas por transformadores que convierten la baja o media tensión en alta para favorecer así el transporte hasta la costa. Una vez en tierra, tan sólo resta conectar la línea eléctrica con la red de distribución existente. Las subestaciones marinas, además de su gran coste de instalación y mantenimiento, téngase en cuenta que la subestación marina que se adjunta, 33/133 kV se encuentra aproximadamente a 7 kilómetros de la isla Walney, en la costa británica de Cumbria, donde la profundidad del agua es de unos 22 metros. Es decir, la subestación de 480 toneladas se encuentra literalmente situada "en alta mar". El cable submarino de 133 kV, con una longitud de 27 km, conecta a la subestación Heysham. Dicha subestación marina, pionera en su construcción, convierte al parque eólico marino en un sistema totalmente conectado a la red de alta tensión terrestre. Al igual que lo parques terrestres las presentes instalaciones marinas deben ser desconectadas del sistema en momentos puntuales para evitar lo denominado huecos de tensión. La situación de la presente subestación, hace que mecánicamente y eléctricamente debe de estar preparada para soportar un nivel de exigencia superior a las terrestres, ya que no es posible sustituir elementos averiados. Protección del medio ambiente: Aves y ruido generado. Los aerogeneradores marinos no tienen un efecto significativo en la vida de las aves acuáticas. Esta es la conclusión de dos experimentos realizados en Dinamarca, con los que se pudo comprobar que las aves se mantenían a una distancia segura de las turbinas y, por otro lado, que los rotores que giran no las ahuyentaban de sus áreas de alimentación. De cualquier modo, al no existir limitaciones en cuanto al impacto del ruido producido, en los parques terrestres la velocidad en la punta de la pala se limita a 65 m/s, mientras que en los parques marinos puede llegar hasta 90 m/s en los bipalas y 75 m/s en los tripalas, por lo que la productividad de la turbina es mayor. 27 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Esto es por lo tanto un aspecto negativo que debe tenerse en cuenta es el ruido que se transmite a través del agua, que se refleja en la superficie y en el fondo del mar, lo que deben atender los proyectistas. Este ruido puede también ser causado por las vibraciones de la propia torre de la turbina y, además, puede alterar el equilibrio ecológico de las especies marinas que conviven en las inmediaciones del parque. El mantenimiento. A diferencia de las instalaciones terrestres, las instalaciones marinas, necesitan un mantenimiento especial, como consecuencia del desgaste que produce el mar en sus elementos eléctricos, mecánicos y estructurales. Los equipos necesarios para el mantenimiento de los aerogeneradores es muy superior al terrestre, ya que es necesaria la preparación de operarios que sean capaces de realizar operaciones de “altos vuelos” tal y como se muestran en las imágenes que se adjuntan. La elevada producción de este tipo de aerogeneradores, hace de cualquier modo que los costes de mantenimiento y montaje, interesantes para la producción energética. Los parques eólicos marinos deben estar altamente protegidos contra las tormentas eléctricas, debido a que en altamar son más sensibles a ser alcanzados por estos fenómenos, que afectan principalmente a las palas y los sistemas electrónicos. Los cimientos y las torres de los parques eólicos marinos están sometidos a fuertes cargas provenientes del viento y de las olas, por separado o en combinación. 28 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Evolución de la energía eólica marina en Europa Dado que en Dinamarca se establecieron los primeros parques eólicos marinos, donde la inversión siempre ha sido superior a la media Europea, así como su instalación, como consecuencia de que las dimensiones del país son muy pequeñas y el aprovechamiento de las bajas profundidades marinas el mar del norte les favorece sus instalaciones, han logrado tras importantes inversiones económicas, liderar la producción mundial de energía eólica marina, logrando gracias a la investigación una producción de electricidad que es más estable, siendo esta un 20% superior a la energía eólica terrestre que produce su propio país. Además, se ha logrado que la vida útil del parque, con un buen mantenimiento, pueda llegar a duplicarse. En la actualidad el 50% del consumo eléctrico familiar danés proviene de este tipo de energía. En el resto de Europa destacan algunos proyectos, entre los que se encuentra la instalación en el Reino Unido de 3.000 aerogeneradores en sus costas este y oeste con capacidad para abastecer al 15% de la población británica. En Alemania se prevé la instalación de 60.000 MW antes de 2025 e Irlanda ha aprobado la construcción del mayor parque eólico del mundo en el mar de Irlanda, con una producción de 520 MW, equivalente al 10% de las necesidades energéticas del país. Evolución de la energía eólica marina en España España destaca en el panorama internacional por su uso de la energía eólica terrestre. Además de ser la energía renovable en la que más ha despuntado, nuestro país es el segundo con mayor potencia instalada. Sin embargo, todavía no ha situado ni un solo generador mar adentro. Según Greenpeace, en la Península Ibérica sería posible crear por este medio 25.000 MW de potencia hasta el año 2030, con lo que se evitaría la emisión anual de unos 25 millones de toneladas de CO2. En España hay varios enclaves marinos estratégicos para este fin, como el Estrecho de Gibraltar, el cabo de Creus, el delta del Ebro o zonas de la costa 29 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE gallega, pero, en general, la costa española no es muy adecuada por la gran profundidad de sus mares. Existe un proyecto, de un coste estimado de 1.650 millones de euros, que consiste en instalar aerogeneradores a unos 18 kilómetros del cabo de Trafalgar, entre Barbate y Conil en Cádiz, con una potencia de 1.000 MW (sumaría tan sólo el 0,1% de la energía renovable española). A él se oponen por un lado los representantes de la flota de Barbate y Conil, ya que entienden que supone un riesgo para la pesca artesanal y las rutas migratorias de los atunes y, por otro, las autoridades locales, que mantienen que el impacto visual retraerá a los turistas. Como solución intermedia entre los parques eólicos en tierra y los situados en el mar, se están promocionando parques como el instalado en el Puerto de Bilbao en España. Las cimentaciones están ancladas en tierra firme, concretamente en un dique portuario, aunque las olas llegan a azotar las torres de los aerogeneradores que Corporación Eólica (CESA) instaló en este emplazamiento. Las máquinas deben tratarse contra los efectos corrosivos del ambiente marino para garantizar la mayor durabilidad de estas instalaciones. Este tipo de parques se clasifica en la jerga internacional como parque eólico near-shore (cerca de la orilla del mar). La instalación abastecerá a 12.500 hogares (unas 40.000 personas) de suministro eléctrico. Con una superficie de 1.580 metros cuadrados en el dique de Punta Lucero, el parque está compuesto por cinco aerogeneradores de última generación capaces de producir 23.500 MWh anuales de electricidad. 30 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Principales enclaves Españoles eólicos marinos. Cabe destacar que los principales proyecto se están desarrollando en cuatro grandes zonas: 1. Galicia 2. Golfo de Cádiz 3. Costa Mediterránea 4. Islas Canarias Galicia La Cornisa Cantábrica no es apropiada, en principio, para implantar parques eólicos marinos ya que adquiere rápidamente grandes profundidades. Sin embargo, existen algunos bancos de arena que sí serían espacios idóneos para la eólica marina. Además, el viento es frecuente y fuerte lo que hace que los emplazamientos deban ser estudiados con interés. Las mejores zonas para la instalación serían las que mostramos en la figura 1. Figura 1. Potencial Eólico marino en las costas gallegas. Se estima que en todo este litoral es posible instalar unos 500 MW de potencia, en parques de capacidad media en torno a los 30 MW con aerogeneradores de 3 MW de potencia unitaria. Golfo de Cádiz Esta zona de España, que se extiende desde la desembocadura del Guadiana hasta el estrecho de Gibraltar presenta zonas apropiadas para la instalación de parques eólicos marinos. La profundidad es inferior a 50 metros varias millas más allá de la costa y los vientos suelen ser bastantes fuertes y constantes. Esta es, sin duda, la mejor zona de España pudiéndose instalar hasta 10.000 MW. En la figura 2 se muestran las zonas de mayor potencial, ubicadas en la costa atlántica. Figura 2. Potencial eólico marino en el golfo de Cádiz 31 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Costa Mediterránea El viento desde la costa de Málaga hasta Girona es menos frecuente e intenso pero existen varios emplazamientos muy interesantes desde el punto de vista eólico. Al ser una zona muy turística podría valorarse negativamente la instalación de parques eólicos. Sin embargo, su lejanía de la costa los haría prácticamente invisibles. Además podría utilizarse como un reclamo turístico más organizándose excursiones en pequeñas embarcaciones habilitadas al efecto. Las especiales características del Mar Mediterráneo hacen que sus fondos marinos estén deteriorados a causa de la pesca de arrastre, la contaminación y la sobreexplotación. De especial relevancia son las praderas de fanerógamas marinas que conforman ecosistemas muy ricos y diversos, llegando a albergar más de 300 especies, muchas de ellas de interés comercial. Se encuentran en profundidades entre 7 y 30 metros, no siendo estos fondos aptos para la instalación de parques eólicos. En este caso las alternativas pasan por buscar ubicaciones a menos de 7 metros de profundidad, o asumir el coste de inversión para aquellos de más de 30 metros. La evaluación del potencial es muy es discutible pero una orquilla razonable nos situaría entre los 7.500 y 15.000 MW. Islas Canarias Las islas se caracterizan por unos fondos marinos bastante profundos en la mayoría de los casos. Sin embargo, hay emplazamientos cercanos a algunas costas donde es posible ubicar parques eólicos. El importante desarrollo eólico, en tierra, de Las Islas Canarias con 130 MW instalados a finales de 2005, hace que se vea muy prometedora la posibilidad de grandes desarrollos “offshore”. El potencial de instalación disponible estaría situado entorno a los 20.000 MW. CONCLUSIONES La técnica ha demostrado que la energía eólica marina, puede llegar a ser tanto o más rentable que la energía eólica convencional en el medio terrestre, siempre y cuando se solventen algunos matices técnicos. La baja profundidad de los mares del norte de Europa, junto con las pequeñas dimensiones de algunos de esos países, así como el crecimiento imparable del consumo energético, hacen que inevitablemente crezca su expansión energética hacia el mar. La energía eólica marina, tal y como se ha visto, dispone para su instalación de torres más pequeñas, con un menor impacto medio ambiental y sobre todo una mayor potencia producida, convirtiendo a este tipo de energía en un sistema de producción fiable e interesante para los países nórdicos. Los avances tecnológicos, están llevando la energía eólica marina a profundices muy elevadas y por lo tanto, a distancias de la costa, suficientemente alejadas, como para que no sean perceptibles por el hombre desde sus playas. 32 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE España tiene un especial interés en este tipo de energía, ya que en la “isla energética” en la que habitamos, depende plenamente del mercado exterior, por lo que el aprovechamiento de la energía eólica que nuestros mares, puede ser un gran avance en nuestra independencia energética exterior. BIBLIOGRAFÍA http://www.google.es/ http://www.ewea.org/ http://www.windpower.org/ http://peswiki.com/ http://www.consumer.es/ http://guidedtour.windpower.org/es/tour/ http://offshorewind.net/index.html http://ingenieriaelectricaexplicada.blogspot.com/ http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_offshore_wind_farms http://www.cener.com/es/energia-eolica/mapas-viento.asp 33 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE ANEXO 1: INSTALACIONES EÓLICAS MARINAS OPERATIVAS EN EUROPA El Presente recuento de instalaciones eólicas marinas “offshore”, procede de la asociación europea de la energía eólica, en su informe anual 2.009. Bélgica Nombre de la instalación Localización Thornton Bank phase 1 Off Zeebrugge TOTAL Potencia Profundidad nº turbinas en MW instalación 30 6 12 to 27 Distancia a la costa Año de puesta en marcha 27 to 30 2008 Repower C-power (RWE Innogy) Gravity Distancia a la costa Año de puesta en marcha Fabricante turbina Operador de red Tipo instalación Propietario Siemens Vestas Dong Energy Dong Energy Gravity MT Højgaard Gravity SIF, Smulders, Fabricante Operador turbina de red Tipo Propietario instalación GeoSea 30 Dinamarca Nombre de la instalación Localización Vindeby Tunø NW of Vindeby, Lolland 4,95 11 2,5 to 5 2,5 1991 Knob Off Aarhus, Kattegat Sea 5 10 0,8 to 4 6 1995 Middelgrunden Oresund, E of Copenhagen 40 20 2 to 6 2 2001 Siemens Dong Energy Gravity MTHS Horns Rev 1 NW of Esbjerg 160 80 6 to 14 14 2002 Vestas Vattenfall, Dong Jacket Entreprenør Nysted Off Rødsand, Lolland 165,6 72 6 to 10 6 to 10 2003 Siemens E.On, Dong Energy Gravity Samsø Palludan Flak, S of Samsø 23 10 11 to 18 3,5 2003 Siemens Per Aarsleft Bladt Industries Frederikshavn Frederikshavn Harbour 10,6 4 3 0,8 2003 Vestas, Bonus Nordex Dong Energy Horns Rev 2 Blåvandshuk 209 91 9 to 17 30 2009 Siemens Dong Energy Monopilote Bladt, Per Aarsleft & Bilfnger Berger Storebaelt/Spro gø N of Sprogø 21 7 6 to 16 2 2009 Vestas Sund & Baelt Gravity Per Aarsleft & Bilfnger Berger TOTAL Potencia Profundidad nº turbinas en MW instalación 639,15 34 Samsø Monopilote Kommune “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Finlandia Nombre de la instalación Localización Kemi Ajos phases 1+2 Ajos Harbour Distancia a la costa Año de puesta en marcha <1 2008 Distancia a la costa Año de puesta en marcha Fabricante turbina Operador de red <1 2004 Enercon Enova, EWE Potencia Profundidad nº turbinas en MW instalación 8 24 3 Fabricante Operador turbina de red WinWind Pohjolan Voima Tipo Propietario instalación Gravity 24 TOTAL Alemania Nombre de la Potencia Profundidad Localización nº turbinas instalación en MW instalación Tipo instalación Propietario Enova offshore Emden Ems River in Emden 4,5 1 Breitling Rostock Harbour 2,5 1 2 1 2006 Nordex Nordex AG Hooksiel Hooksiel Harbour 5 1 2 to 8 0,4 2008 Bard BardGroup Tripod Bard Alpha Ventus - Borkum West N of Borkum 30 6 30 43 2009 Multibrid DOTI (EWE,E.O n, Vatenfall) Tripod Aker, BiFab 42 TOTAL Irlanda Nombre de la instalación Localización Potencia en MW nº turbinas Profundidad instalación Distancia a la costa Año de puesta en marcha Arklow Bank Off Arklow, Co Wicklow 25,2 7 2.5 to 5 10 2004 TOTAL Fabricante Operador turbina de red GE GE Tipo instalación Propietario Monopilote Sif, Smulders 25,2 Holanda Nombre de la Potencia Profundidad Localización nº turbinas instalación en MW instalación Distancia a la costa Año de puesta en marcha Fabricante turbina Operador de red Tipo instalación Lely Medemblik, Ijsselmeer 2 4 7,5 0,75 1994 Nedwind Nuon Monopilote Irene Vorrink Dronten, Ijsselmeer 16,8 28 2 0,03 1996 NordTank Nuon Monopilote Offshore Wind Farm Egmond aan Zee Off Egmond aan Zee 108 38 19 to 22 8 to 12 2007 Vestas Prinses Amalia Off Ijmuiden 120 60 19 to 24 23 2008 Vestas TOTAL 246,8 35 NoordzeeWind Monopilote Econcern, Eneco Monopilote Propietario Bladt Bladt “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Noruega Nombre de la instalación Localización Floating Hywind Off Karmoy Potencia Profundidad nº turbinas en MW instalación 2,3 1 220 Distancia a la costa Año de puesta en marcha 12 2009 Distancia a la costa Año de puesta en marcha Fabricante Operador turbina de red Siemens Statoil Tipo Propietario instalación Floating 2,3 TOTAL Suecia Nombre de la instalación Localización Bockstigen Gotland 2,75 5 6 to 8 3 1998 NEGMicon Utgrunden I Kalmarsund 10,5 7 4 to 10 7 2001 GE Vattenfall Monopilote Yttre Stengrund Kalmarsund 10 5 8 to 12 4 2002 NEGMicon Vattenfall Monopilote Lillgrund Oresund Straight 110,4 48 2,5 to 9 10 2007 Siemens Vattenfall Gravity Hochtief Gässlingegrund Vänern 30 10 4 to 10 4 2009 WinWind Vindpark Väners Gravity PEAB TOTAL Potencia Profundidad nº turbinas en MW instalación Fabricante Operador turbina de red Tipo Propietario instalación Monopilote 163,65 Inglaterra Distancia a la costa Año de puesta en marcha 6 1 2000 Vestas E.On Monopilote 30 5 to 12 3 to 10 2003 Vestas Npower (RWE Innogy) Monopilote 60 30 2 to 10 2,5 2004 Vestas E.On Monopilote Off Whitstable 90 30 5 8,5 2005 Vestas Vattenfall Monopilote Barrow Off Walney Island 90 30 21 to 23 7 2006 Vestas Beatrice Beatrice Oilfeld, Moray Firth 10 2 40 25 2007 Repower Burbo Bank Crosby 90 25 10 5,2 2007 Siemens Dong Monopilote MT Højgaard Inner Dowsing Ingoldmells/ Skegness Ingoldmells/ 97,2 27 10 5 2008 Siemens Centrica Monopilote MT Højgaard Lynn Skegness 97,2 27 10 5,2 2008 Siemens Centrica Monopilote MT Højgaard Rhyl Flats Rhyl 90 25 4 to 15 8 2009 Siemens Npower (RWE) Monopilote MT Højgaard Robin Rigg Maryport, Rock Cliffe 90 30 >5 9,5 2009 Vestas E.On Monopilote MT Højgaard Gunfeet Sands 1 and 2 Clacton-on-Sea 104,4 29 2 to 15 7 2009 Siemens Dong Monopilote MT Højgaard Nombre de la instalación Localización Blyth Offshore Blyth Harbour 4 2 North Hoyle Prestatyn and Rhyl 60 Scroby Sands NE of Greater Yarmouth Kentish fats TOTAL Potencia Profundidad nº turbinas en MW instalación 882,8 36 Fabricante Operador turbina de red Tipo Propietario instalación Dong, Monopilote Centrica Scottish and Jacket Southern, Talisman Sif, Smulders MT Højgaard, Sif, Smulders KBR “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE La potencia total Europea es de 2.055,90 MW instalados y operativos hasta finales del año 2.009, tal y como refleja el informe de la EWEA. Destacan como superpotencias de la energía eólica marina a Inglaterra con sus 882,80 MW y Dinamarca con sus 639,15 MW. Resaltar también el sistema de instalación predominante en los primeros años fue el sistema por gravedad (hormigón), predominando en la actualidad el sistema monopilote (acero + hormigón). Las instalaciones eólicas marinas que se están llevando a cabo en la actualidad, se encuentran a distancias relativamente cortas de las costas de 5 a 15 kilómetros marinos, mientras que su profanidad oscila entre los 2 y 30 metros, haciendo que su instalación sea relativamente más sencilla que en las costas españolas. Destacar el proyecto Hywind, instalado en noruega, el proyecto de el aerogenerador flotante, se encuentra instalado a una profundidad de 220 metros y a 12 kilómetros marinos de la costa. Este experimento será el que desvele los futuros de la energía eólica marina en el resto de Europa, sobre todo en las costas españolas. Las predicciones de la EWEA para el año 2.020 son 40.000 MW, según refleja el último informe emitido por la presente institución. 37 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE ANEXO 2: MAPAS EÓLICOS Mapa eólico de Europa Occidental y España. 38 “CURSO ENERGÍAS RENOVABLES Y DESARROLLO SOTENIBLE” Trabajo fin de curso: LA ENERGÍA EÓLICA MARINA OFFSHORE Una vez vistos los valores que energía eólica marina puesta en marcha en Europa, es fácil observar que el potencial eólico marino del norte de Europa es muy superior al que disponemos en la actualidad en la península ibérica. Además de dicho potencial eólico marino, se disponen de dos grandes ventajas: - Fuerte inversión económica en mejora de las infraestructuras eólicas, así como mejoras de las máquinas. Inversión denominada I+D. - Poca profundidad de los mares del norte. Si a estos dos puntos, también agregamos que los países del norte de Europa, disponen de muy poco espacio para instalación de parques eólicos terrestres y que están perfectamente interconectados entre sí para la evacuación de la energía producida, hace que estas potencias eólicas tomen una ventaja muy sustancial a la potencia eólica marina que España puede llegar a desarrollar. Por todo ello, España, solo tiene que esperar que los proyectos como el Hywind sean viables y rentables para los inversores, y así poder aprovechar toda la potencia eólica marina que nuestros mares disponen. 39