El trípode es un tipo de base para turbinas eólicas marinas . El diseño está estrictamente guiado por los requisitos funcionales de una estructura cargada predominantemente dinámica de larga duración en un entorno hostil. El trípode es generalmente más caro que otros tipos de cimientos. Sin embargo, para turbinas grandes y mayor profundidad de agua, la desventaja de costo podría compensarse si también se tiene en cuenta la durabilidad.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/d/d9/Tripod_wind_energy_Brhv.jpg/440px-Tripod_wind_energy_Brhv.jpg)
Historia
La exploración de la energía eólica marina comenzó con la introducción de cimientos Monopile para turbinas eólicas en un rango de 1 a 3MW en una profundidad de agua de aproximadamente 10 a 20 m [1] en los noventa del siglo pasado. Alemania se enfrentaba a profundidades de agua de hasta 40 metros cuando se incorporó a este nuevo campo de las energías renovables . Al mismo tiempo apareció la clase de turbinas de 5MW . Un representante de esta nueva generación de turbinas fue la Multibrid M5000 con un diámetro de rotor de 116 m, luego 135 m bajo las etiquetas Areva y Adwen . El primer prototipo de esta máquina se construyó en Bremerhaven en 2004 en tierra. Ya en esta etapa, Bremerhaven había apoyado el desarrollo en nombre de BIS Bremerhavener Gesellschaft für Investitionsförderung und Stadtentwicklung mbH.
¿Cuál podría ser una base viable para las próximas grandes turbinas y la mayor profundidad del agua? Esta cuestión ha sido investigada desde principios de este siglo a la luz de los métodos de evaluación geotécnica disponibles, los procesos de fabricación, los equipos de hincado de pilotes y los equipos de logística e instalación.
Uno de los resultados fue la base Tripod. El primer diseño fue elaborado por OWT - Offshore Wind Technology en Leer (Alemania) en 2005. El trípode se diseñó integralmente con la torre desde sus inicios. La estructura de tres patas se extiende desde el lecho marino hasta, típicamente, 20 m sobre el nivel del agua del mar, manteniendo la brida atornillada en la parte superior de manera segura, separada de la cresta de las olas. Esta sección permite equiparse en tierra con todas las funcionalidades necesarias en términos de aterrizaje de embarcaciones, guiado de cables y, por último, pero no menos importante, sistemas de protección contra la corrosión. La columna central está diseñada como un sistema abierto que permite un intercambio de agua sin restricciones en cada ciclo de mareas . Esta circunstancia es beneficiosa cuando el sistema de protección contra la corrosión debe diseñarse para las superficies internas.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/4/49/Tripod_Prototype_1b.jpg/440px-Tripod_Prototype_1b.jpg)
El trípode se fija con pilas de alfileres de tamaño mediano en el fondo del mar. Las pilas pueden apilarse previamente o apilarse posteriormente. También se diseñó una base de balde de succión . Se prevé que la primera sección de la torre, denominada S3, se monte en alta mar en la parte superior del trípode con una conexión de brida atornillada. Esta sección contiene la plataforma de servicio exterior y la puerta de entrada. Esta sección es de acceso independiente para equipos eléctricos y procedimientos de puesta en marcha en frío. Además, proporciona simplemente altura, lo que se puede guardar en el lado del trípode. La altura de un trípode ya asciende a unos 60 m para una profundidad de agua de 40 m.
En 2006, OWT diseñó un demostrador en tierra Trípode para Multibrid GmbH, fabricado y erigido en Bremerhaven, Alemania, por WeserWind GmbH Offshore Construction Georgsmarienhütte. Este fue el comienzo de una colaboración duradera entre el desarrollador y fabricante de turbinas Multibrid, el diseñador de cimientos OWT y el fabricante WeserWind. Mientras tanto, el diseño cubre las demandas de una base de turbina en alta mar en la medida suficiente, la fabricación fue incluso desafiante en cuanto al tamaño y la forma de la estructura. En ese momento, WeserWind contó con el apoyo en términos de fabricación y montaje de su empresa hermana IAG Industrieanlagenbau Georgsmarienhütte GmbH, también miembro del grupo Georgsmarienhütte. La primera operación de la turbina estuvo acompañada del proyecto de investigación IMO-Wind. [2] Se han realizado los primeros pasos en la monitorización del estado, incluida la determinación de las curvas de tensión , la denominada Encuesta "Hot Spot", con el fin de permitir la comparación con modelos de cálculo.
En 2008 se construyeron trípodes como subestructura para seis turbinas eólicas marinas Multibrid M5000 en el proyecto Alpha Ventus . Alpha Ventus se planeó como un primer campo de prueba para la exploración de energía eólica marina en aguas alemanas. La organización del proyecto ha sido Deutsche Offshore-Testfeld und Infrastruktur GmbH & Co. KG, DOTI. Fue fundada en 2006 por EWE AG (47,5%), E.ON Climate & Renewables Central Europe GmbH y Vattenfall Europe Windkraft GmbH (cada 26,25%) con la asistencia de Stiftung Offshore Windenergie. El Ministerio Federal de Medio Ambiente de Alemania, BMU, apoyó una serie de proyectos de investigación, que se resumen en la iniciativa RAVE (Investigación en Alpha Ventus). Se adquirió una amplia base de experiencia y conocimiento para la construcción, puesta en marcha y operación de futuros parques eólicos marinos . Los trípodes fueron fabricados por Aker Kvaerner en Verdal, Noruega. Se realizó un ensamblaje horizontal de los trípodes de acuerdo con la experiencia de fabricación local del astillero, proveniente de la fabricación de grandes camisas de petróleo y gas, con la posterior caída y, por supuesto, navegación vertical desde Noruega hasta la terminal costa afuera en Eemshaven. El transporte de los trípodes a la ubicación fue realizado por Taklift 4 desde Boskalis uno por uno.
El año 2010 marcó el siguiente hito en el despliegue de la turbina M5000 con la base Tripod. Los dos proyectos Borkum West II y Global Tech I decidieron erigir sus granjas utilizando esta plataforma tecnológica. Cada proyecto encargó 40 trípodes en primera instancia casi al mismo tiempo. Anticipándose a esta demanda, WeserWind ha desarrollado un enfoque de producción en serie para trípodes en los años anteriores, junto con Dr. Möller GmbH / IMS Nord, [3] Bremerhaven. Los parámetros clave de este enfoque son el concepto de ensamblaje vertical, la configuración de una línea de ensamblaje con hasta nueve estaciones de trabajo, el transporte de las estructuras en crecimiento en nombre de los transportadores ferroviarios de carga pesada a lo largo de la línea de ensamblaje y la operación de carga integrada a un pontón hecho a medida. Basándose en este concepto, Georgsmarienhütte lanzó el programa de inversión para la construcción de este taller de montaje con dos líneas paralelas en Lunedeich, Bremerhaven. El edificio estuvo operativo a principios de 2011 y en junio se completó el primer trípode Borkum-West II.
En diciembre de 2011, el pontón fue bautizado y BLG Logistics Solutions GmbH & Co. KG encargó la terminal costa afuera ABC-Peninsula después de una actualización esencial. Finalmente, se han construido 100 trípodes en este sitio en los años de 2011 a 2013. El tiempo de ciclo para toda la planta se alcanzó con hasta cinco días calendario por estructura. El ciclo de carga se logró a cuatro horas. También SIAG Emden y el consorcio Iemants NV con Eiffage Construction Métallique SAS en Vlissingen produjeron en total 20 trípodes en ese momento en posición vertical. La tecnología de transporte en alta mar se ha desarrollado significativamente desde Alpha Ventus. La “Innovación” de construcción en alta mar de HGO InfraSea Solutions GmbH & Co. KG se encargó en 2012 e hizo su primer trabajo para Global Tech 1 con tres trípodes y juegos de pilotes por vela. Los barcos grúa “Stanislaw Yudin” y “Oleg Strassnow” de SHL Seaway Heavy Lifting estaban en operación para Borkum West II.
Características técnicas específicas
Condiciones de idoneidad y uso
La peculiaridad del Trípode es la combinación de la estructura sobre el agua como una solución Monopile con una pequeña superficie expuesta, un rendimiento robusto en escenarios de riesgo y una transición fácil a la parte de la torre con el efecto de soporte y el rendimiento de una estructura de celosía. Los puntos calientes se evitan en el entorno agresivo de la zona de salpicaduras gracias al diseño que permite una evaluación de la fatiga por corrosión libre .
En la energía eólica, la coordinación de la dinámica de la estructura, caracterizada por las frecuencias que oscila principalmente, es de especial importancia debido a la excitación del rotor de la turbina. El comportamiento del trípode se sitúa entre el Monopile, que suele ser más blando y el Jacket, que a su vez es más rígido.
El área de aplicación en términos de profundidad del agua se predijo inicialmente a al menos 25 metros de profundidad del agua hasta 50 m. [4] El impresionante crecimiento de la tecnología Monopile en los últimos años movió su campo de aplicación a 40 m en la actualidad. Por tanto, el Trípode desapareció de la escena. Además del mayor esfuerzo de fabricación de los trípodes, los esfuerzos de transporte e instalación pueden ser aún más comparables cuanto más crezcan las estructuras. Finalmente, la idoneidad dedicada del Trípode a los sistemas de protección contra la corrosión seguirá siendo una diferencia significativa con respecto al Monopile. El desempeño de las estructuras durante el tiempo de vida y las evaluaciones de diligencia debida de los activos en las etapas posteriores del ciclo de vida podrían dar motivos para la conciliación de los argumentos.
Comparable a otras estructuras de celosía como las chaquetas, el trípode se fija con pilotes en el fondo del mar. El número de tres patas da como resultado una estabilidad suficiente en la situación sin apilar o sin lechada, lo que regresa con una ventana climática confiable para la instalación. Los parámetros de diseño de los pilotes se pueden elegir independientemente del propio Trípode y reflejan explícitamente las necesidades geotécnicas. No es necesario aplicar protección contra la abrasión .
La conexión a la pila se logra generalmente mediante una conexión con lechada. Esta es una técnica en la que se vierte concreto especial en el espacio de la junta entre el pilote y la manga del pilote. Debido al efecto compuesto resultante, las cargas se transfieren de la manga al pilote y, por lo tanto, al suelo. Un proceso de cementación sumergida requiere una alta competencia en el diseño, planificación y ejecución de los procesos. La temperatura moderada estable bajo el agua apoya el proceso de curado de la lechada sensible a la temperatura.
Fondos estructurales
La acción de apoyo se basa en la desviación del momento de flexión de la torre hacia los pilotes, que luego esencialmente solo se tiran o empujan. Esto requiere una combinación de piernas superiores e inferiores que aumentan el apalancamiento. Alternativamente, se puede usar una cubeta de succión en lugar de la pila. En comparación, el monopile distribuye sus cargas estabilizándose lateralmente en el suelo.
Los nodos tubulares son el elemento de diseño característico en las estructuras de celosía, donde los tubos se cruzan entre sí. Se prefiere que los tubos entrantes, los muñones, permanezcan en cierta proporción de los diámetros (0,8) al tubo continuo, la cuerda, para lograr efectos de soporte de carga eficientes. Este efecto determina las relaciones dimensionales finales.
Los espesores de las placas dentro de las cimentaciones marinas se adaptan bien a las situaciones de carga local. Se puede lograr una utilización equilibrada del material mediante el diseño porque la dimensión de una cimentación en alta mar es grande en comparación con la dimensión de las placas laminadas en caliente . Los trípodes y los monopiles son estructuras de concha . Su espesor de pared es relativamente pequeño en comparación con el diámetro. Por lo tanto, deben probarse en términos de pandeo de la carcasa . La torre, el tubo central y las patas se ensamblan de secciones cilíndricas o cónicas, latas, con una longitud individual de 2 a 4 m. Los espesores de pared están en el rango de 40 a 60 mm en la columna central, algunas latas en áreas de alta tensión hasta 90 mm. Los espesores de pared de las patas cónicas oscilan entre 20 y 30 mm.
La vida útil es un requisito fundamental para el diseño. En la industria clásica del petróleo y el gas, las cargas de las olas en alta mar ya se han tenido en cuenta. El funcionamiento de los aerogeneradores provoca cargas de funcionamiento dinámicas adicionalmente elevadas. Esto se observó de manera impresionante con el proyecto Growian, lo que era una turbina terrestre de 3MW de dos palas, que falló en 1983 por esta razón.
Métodos de cálculo
Los métodos FEM se utilizan principalmente para las evaluaciones. Solo estas herramientas más extensas permiten reflejar las curvas de tensión en detalle y proporcionar la precisión que se requiere para el diseño. Los tiempos de cálculo se han reducido considerablemente mediante el modelado con secuencias de comandos y el aumento de las velocidades de cálculo, lo que aumentó las velocidades de iteración y, por lo tanto, mejoró los resultados de optimización. [5]
Resumen y perspectiva
La base Tripod para turbinas eólicas marinas representa una contribución notable al comienzo de la utilización industrial de la energía eólica marina en aguas alemanas. Nació dentro de una cáscara de nuez creativa de los pioneros de la energía eólica marina alemanes y expandió su potencial obteniendo más socios a un gran equipo multidisciplinario que hizo realidad la visión. El hecho de que 126 turbinas fundadas sobre trípodes estén actualmente en funcionamiento, es el resultado de una colaboración duradera y confiable de una serie de partes interesadas.
En 2014 se realizó un estudio de escritorio para evaluar la viabilidad del concepto de cimentación para la próxima generación de turbinas con 8MW y un diámetro de rotor superior a 160m. Era esencial demostrar el aumento de peso limitado que soporta cargas aún más altas y, por lo tanto, aprobar todos los procesos de fabricación e instalación existentes de los proyectos realizados anteriormente.
Hoy en día, el conocimiento adquirido en ingeniería offshore de la década del trípode es una especie de activo inmaterial que se puede poner en nuevos proyectos utilizando los conceptos de Monopile, Jacket o, por qué no, Tripod, explorando el estado del arte reciente para reducir el costo de la energía.
Referencias
- ^ "Fundamentos y estructuras de cimentación" . offshore-windenergie.net . Archivado desde el original el 2 de octubre de 2014.CS1 maint: URL no apta ( enlace )
- ^ Fritzen, Claus-Peter, Dr.-Ing. "Sistema Integrado de Monitoreo y Evaluación de Plantas Eólicas Off-Shore" . Universität Siegen .
- ^ "IMS Nord - Referencia" . www.ims-nord.de .
- ^ "Mit drei Beinen auf hoher See" . deutschlandfunk.de .
- ^ "Artículo sobre trípodes" . Archivado desde el original el 4 de mayo de 2016 . Consultado el 3 de julio de 2016 .