Windstory #9 - Cimentaciones de aerogeneradores onshore: situación actual y tendencias
Windstory #9 - Cimentaciones de aerogeneradores onshore: situación actual y tendencias
Un repaso a la evolución de las cimentaciones de los aerogeneradores onshore, a las diferentes tipologías y a su futuro
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Rafa Jiménez Toña trabaja en Siemens Gamesa como BOP Technical Office Manager en la unidad de negocio onshore, tiene 20 años de experiencia en el sector eólico y también es estudiante de doctorado en la Universidad del País Vasco. Podéis consultar el perfil de LinkedIn de Rafa aquí.
Aprovechando la publicación de su último paper “Foundations of onshore Wind turbines: current situation and trends” en la revista Informes de la Construcción, Rafa ha aceptado muy amablemente a publicar un resumen del mismo en Windletter.
Os dejo con él.
Cimentaciones de turbinas eólicas onshore: situación actual y tendencias
Los objetivos de la Unión Europea para los próximos años en cuanto a lograr la neutralidad climática en 2050 y reducir drásticamente la emisión de GHG (gases de efecto invernadero) para 2030 son grandes oportunidades para el sector eólico en los próximos años.
Para alcanzar las metas, la reducción de coste de los nuevos modelos de aerogeneradores sigue siendo un factor crucial, también porque los precios en las subastas de energía en todo el mundo están disminuyendo drásticamente.
En las últimas décadas del siglo XX, el mercado eólico estaba comenzando a crecer, por lo tanto, no había gran interés en optimizar las cimentaciones. La mayoría de las cimentaciones eran de forma cuadrada y de altura constante. Además, algunos OEMs usaban el sistema de virola de acero como interfaz entre la torre y la cimentación.
En la primera década del siglo XXI, hubo una transición en el sistema de interfaz de anillo de acero (o virola, como se conoce popularmente en la industria) a la jaula de pernos, que se demostró ser una solución más robusta. Además, la geometría se optimizó pasando de la forma cuadrada a la cimentación de forma circular de canto variable.
Años después, comenzó la carrera para reducir el LCOE y la cimentación de los aerogeneradores onshore se optimizó aún más, lo que llevó al diseño y patente de diferentes conceptos mucho más sofisticados.
En un contexto de crecimiento de los modelos de aerogeneradores, las cimentaciones también se ven afectadas. En general, a medida que los aerogeneradores son más altos y pesados, hay diferentes aspectos de las cimentaciones que se deben tener en cuenta:
Las jaulas de pernos debido a la sectorización, el aumento de peso y el equipo de ajuste especial necesario (ver ejemplo de jaula sectorizada).
Mayor complejidad en el proceso de colocación de la armadura de refuerzo y la puesta en obra del hormigón, especialmente en cuanto a los recursos adicionales que requieren una coordinación y planificación muy estricta para evitar problemas en la fase más crítica de la ejecución de las cimentaciones.
Dado que las cimentaciones de los aerogeneradores son estructuras masivas de hormigón y el volumen de hormigón aumenta con el escalado, es importante controlar la temperatura en el núcleo de la estructura y el gradiente de temperatura entre la superficie y el núcleo, especialmente en lugares con alta temperatura ambiente.
Además, si hablamos del diseño de la cimentación, hay tres factores que son diferentes en una cimentación de aerogenerador onshore respecto a una cimentación común para otras estructuras:
El momento flector es la carga principal, lo que implica que hay una alta excentricidad de la carga.
El requisito relacionado con la rigidez rotacional dinámica mínima para mitigar el riesgo de resonancia con las frecuencias de rotación del rotor.
Control de “gap” para evitar la degradación del suelo debido a las cargas cíclicas a lo largo de la vida útil del aerogenerador.
Coste y diseños alternativos
Las cimentaciones de los aerogeneradores representan aproximadamente entre el 4% y el 10% del coste total de un parque eólico, dependiendo de las condiciones geotécnicas, el nivel de carga y las restricciones locales (como el coste del material, la ubicación del proyecto, los recursos, la experiencia del contratista civil, etc.).
Dado que el costo de la cimentación es significativo, tanto las empresas de ingeniería como los OEM están tratando de encontrar nuevas soluciones para optimizar aún más los diseños y la ejecución.
Las tipologías de cimentaciones para torres de acero convencionales mencionadas en el artículo son las siguientes: estándar (de forma circular y altura variable con jaula de pernos), de forma octogonal, con capa EPS (conocidas como soft spot), cimentación de muros, cimentación con refuerzo (braced fundation), soluciones prefabricadas, Patrick & Henderson y cimentación anclada a roca (rock anchor). Cada link lleva a una foto de la tipología.
La tabla de abajo incluye un análisis comparativo exhaustivo de las soluciones mencionadas anteriormente (se puede consultar en la página 7 en este enlace). No existe una solución óptima para ningún nivel de carga y condiciones geotécnicas, se debe realizar un estudio técnico y económico para seleccionar la solución adecuada para cada proyecto.
También existe una solución prometedora llamada Nabralift, patentada por la empresa Nabrawind. Es un sistema de autoerección basado en una estructura enmarcada de tres columnas en la parte inferior de una torre de acero convencional y está soportado por 3 pilotes especiales como sistema de cimentación, conocido como Nabrabase.
Otro concepto, no mencionado en el artículo debido a limitaciones de extensión, es el concepto Airbase (de HWS). El concepto consiste en dos vigas prefabricadas que descansan sobre cuatro cimentaciones superficiales aisladas o algunos pilotes.
Futuro
No hay un consenso claro sobre la solución de torre para aerogeneradores que se utilizará más en el futuro. Actualmente, la solución que se está utilizando cuando se requieren alturas de buje altas es la tecnología híbrida (hormigón-acero).
La evolución inminente de la tecnología de las torres afectará a las cimentaciones. Actualmente, las cimentaciones más comunes están diseñadas específicamente para torres convencionales, y en el futuro el diseño se verá profundamente afectado por el diseño de la torre.
Extensión de vida, repowering y sostenibilidad
La extensión de la vida útil es un aspecto clave para los OEM y los operadores de proyectos eólicos. En cuanto a las cimentaciones, existe una amplia investigación sobre la monitorización de la seguridad por fatiga y la evolución del ancho de las grietas. Además, también hay mucha documentación sobre el modo de fallo las virolas y las soluciones y sistemas de refuerzo para resolver el problema.
El repowering también será crucial en el futuro, ya que las mejores ubicaciones desde el punto de vista del recurso eólico están, en general, ocupadas por proyectos eólicos antiguos, por lo tanto, instalar aerogeneradores nuevos y más potentes es un aspecto muy interesante para incrementar la energía generada y reducir el impacto ambiental.
En cuanto a la cimentación en proyectos repowering, si las cimentaciones existentes son demolidas, el árido reciclado resultante de la demolición se puede reutilizar para la construcción de los nuevos viales y plataformas necesarios. Otras opciones de reutilización del árido reciclado son la utilización como hormigón de limpieza para las nuevas cimentaciones, o para las nuevas obras de drenaje en cunetas hormigonadas.
Conclusión
Finalmente, como conclusión, simplemente remarcar que es necesario realizar un análisis técnico y económico para seleccionar la tipología óptima de cimentación para un proyecto específico considerando las cargas en la base de la torre, las condiciones geotécnicas y las restricciones locales.
Es importante considerar un balance adecuado entre el ahorro de materiales y la complejidad de la ejecución cuando se trata de seleccionar un concepto específico.
📄 Accede al paper completo: Foundations of onshore Wind turbines: current situation and trends 📄
Jiménez Toña, R., Cuadrado Rojo, J. & Rojí Chandro, E. (2024). Cimentaciones de aerogeneradores terrestres: situación actual y tendencias. Informes De La Construcción, 76(573), 6443. https://doi.org/10.3989/ic.6443
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