Energía eólica marina - Offshore wind power

La energía eólica marina o energía eólica marina es el despliegue de parques eólicos ubicados en cuerpos de agua. Las velocidades del viento más altas están disponibles en alta mar en comparación con en tierra, por lo que la generación de electricidad de las granjas marinas es mayor por cantidad de capacidad instalada, y la oposición de NIMBY es típicamente más débil.

A diferencia del uso típico del término "costa afuera" en la industria marina, la energía eólica marina incluye áreas de aguas costeras como lagos, fiordos y áreas costeras protegidas, así como áreas de aguas más profundas. La mayoría de los parques eólicos marinos emplean turbinas eólicas de cimientos fijos en aguas relativamente poco profundas. A partir de 2020, las turbinas eólicas flotantes para aguas más profundas se encontraban en la fase inicial de desarrollo y despliegue.

A partir de 2020, la capacidad total de energía eólica marina en todo el mundo era de 35,3 gigavatios (GW). Reino Unido (29%), China (28%) y Alemania (22%) representan más del 75% de la capacidad instalada global. El Hornsea Project One de 1,2 GW en el Reino Unido fue el parque eólico marino más grande del mundo. Otros proyectos en la etapa de planificación incluyen Dogger Bank en el Reino Unido con 4,8 GW y Greater Changhua en Taiwán con 2,4 GW.

El costo de la energía eólica marina ha sido históricamente más alto que el de la tierra, pero los costos disminuyeron a $ 78 / MWh en 2019. La energía eólica marina en Europa se volvió competitiva en precio con las fuentes de energía convencionales en 2017. La generación eólica marina creció a más del 30 por ciento por año en la década de 2010. A partir de 2020, la energía eólica marina se había convertido en una parte importante de la generación de energía del norte de Europa, aunque seguía siendo menos del 1 por ciento de la generación total de electricidad mundial.

Historia

Capacidad costa afuera acumulada global ( MW ).
Fuentes: GWEC (2011-2020) y EWEA (1998-2010)

Capacidad

Una ilustración de un hipotético parque eólico marino en 1977

Europa es el líder mundial en energía eólica marina, con el primer parque eólico marino ( Vindeby ) que se instaló en Dinamarca en 1991. En 2009, la capacidad promedio de placa de identificación de una turbina eólica marina en Europa era de aproximadamente 3 MW, y la capacidad del futuro Se esperaba que las turbinas aumentaran a 5 MW.

Una revisión de 2013 de los aspectos de ingeniería de las turbinas, como los tamaños utilizados en tierra, incluidas las conexiones eléctricas y los convertidores, consideró que la industria en general había sido demasiado optimista sobre la relación beneficios / costos y concluyó que "el mercado eólico marino no parece que va a ser grande ". En 2013, la energía eólica marina contribuyó a 1.567 MW del total de 11.159 MW de capacidad de energía eólica construida ese año.

En enero de 2014, se habían construido 69 parques eólicos marinos en Europa con una capacidad nominal anual media de 482 MW. La capacidad total instalada de los parques eólicos marinos en aguas europeas alcanzó los 6.562 MW. El Reino Unido tenía, con mucho, la mayor capacidad con 3.681 MW. Dinamarca ocupó el segundo lugar con 1.271 MW instalados y Bélgica ocupó el tercer lugar con 571 MW. Alemania ocupó el cuarto lugar con 520 MW, seguida de los Países Bajos (247 MW), Suecia (212 MW), Finlandia (26 MW), Irlanda (25 MW), España (5 MW), Noruega (2 MW) y Portugal (2 MW). ).

A finales de 2015, se habían instalado y conectado a la red 3.230 turbinas en 84 parques eólicos marinos de 11 países europeos, lo que representa una capacidad total de 11.027 MW.

Fuera de Europa, el gobierno chino había establecido objetivos ambiciosos de 5 GW de capacidad eólica marina instalada para 2015 y 30 GW para 2020 que eclipsarían la capacidad en otros países. Sin embargo, en mayo de 2014 la capacidad de energía eólica marina en China era de solo 565 MW. La capacidad costa afuera en China aumentó en 832 MW en 2016, de los cuales 636 MW se fabricaron en China.

El mercado de la construcción eólica marina sigue estando bastante concentrado. A finales de 2015, Siemens Wind Power había instalado el 63% de la capacidad mundial de energía eólica marina de 11 GW; Vestas tuvo un 19%, Senvion quedó en tercer lugar con un 8% y Adwen un 6%. Aproximadamente 12 GW de capacidad de energía eólica marina estaban en funcionamiento, principalmente en el norte de Europa, de los cuales 3.755 MW entraron en funcionamiento durante 2015. En 2020, el 90% del mercado mundial en alta mar estaba representado por empresas europeas.

En 2017, la capacidad de energía eólica marina instalada en todo el mundo era de 20 GW. En 2018, la energía eólica marina proporcionó solo el 0,3% del suministro eléctrico mundial. Sin embargo, solo en 2018 se empleó una cantidad adicional de 4,3 GW de capacidad eólica marina a escala mundial. En Dinamarca, el 50% de la electricidad fue suministrada por energía eólica en 2018, de la cual el 15% fue costa afuera. El tamaño medio de las turbinas instaladas fue de 6,8 MW en 2018, 7,2 MW en 2019 y 8,2 MW en 2020.

Costos

En 2010, la Agencia de Información Energética de EE. UU. Dijo que "la energía eólica marina es la tecnología de generación de energía más cara que se está considerando para un despliegue a gran escala". El estado de la energía eólica marina en 2010 presentó desafíos económicos significativamente mayores que los sistemas terrestres, con precios en el rango de 2,5-3,0 millones de euros / MW. Ese año, Siemens y Vestas fueron proveedores de turbinas para el 90% de la energía eólica marina, mientras que Ørsted A / S (entonces llamado DONG Energy), Vattenfall y E.on fueron los principales operadores costa afuera.

En 2011, Ørsted estimó que, si bien las turbinas eólicas marinas aún no eran competitivas con los combustibles fósiles, lo serían en 15 años. Hasta entonces, se necesitarían fondos estatales y de pensiones. A finales de 2011, había 53 parques eólicos marinos europeos en aguas de Bélgica, Dinamarca, Finlandia, Alemania, Irlanda, Países Bajos, Noruega, Suecia y Reino Unido, con una capacidad operativa de 3.813 MW, mientras que 5.603 MW estaba por debajo de construcción. En 2011 se estaban construyendo parques eólicos marinos por valor de 8.500 millones de euros (11.400 millones de dólares) en aguas europeas.

En 2012, Bloomberg estimó que la energía de las turbinas eólicas marinas costaba 161 euros ( 208 dólares estadounidenses ) por MWh.

Los costos de la energía eólica marina están disminuyendo mucho más rápido de lo esperado. Para 2016, cuatro contratos ( Borssele y Kriegers ) ya estaban por debajo del precio más bajo previsto para 2050.

Desarrollo futuro

Los parques eólicos marinos, incluidos los parques eólicos flotantes, proporcionan una fracción pequeña pero creciente de la generación total de energía de los parques eólicos. Dicha capacidad de generación de energía debe crecer sustancialmente para ayudar a satisfacer la AIE 's Net Zero en 2050 vía para combatir el cambio climático .

Las proyecciones para 2020 estiman una capacidad de un parque eólico marino de 40 GW en aguas europeas, lo que proporcionaría el 4% de la demanda de electricidad de la Unión Europea . La Asociación Europea de Energía Eólica se ha fijado un objetivo de 40 GW instalados para 2020 y 150 GW para 2030. Se espera que la capacidad de energía eólica marina alcance un total de 75 GW en todo el mundo para 2020, con importantes contribuciones de China y Estados Unidos.

La Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE) predijo en 2016 que la energía eólica marina crecerá al 8% de la economía oceánica para 2030, y que su industria empleará a 435.000 personas, sumando un valor de 230.000 millones de dólares.

La Comisión Europea espera que la energía eólica marina sea cada vez más importante en el futuro, ya que la energía eólica marina es parte de su Green Deal . El desarrollo de todo el potencial de la energía eólica marina de Europa es una de las acciones clave en la sección de Energía Limpia del Pacto Verde.

Para 2050, la expectativa es que la capacidad instalada de energía eólica marina alcance los 1550 GW a escala mundial. En comparación con la capacidad de 2017, eso corresponde a un aumento de 80 veces.

Uno de los avances que caracteriza el desarrollo actual dentro de la industria marina son las tecnologías que permiten proyectos eólicos marinos más alejados de la costa donde la disponibilidad eólica es mayor. En particular, la adopción de tecnologías de cimientos flotantes ha demostrado ser una tecnología prometedora para liberar el potencial eólico en aguas más profundas.

Ciencias económicas

Comparación del costo nivelado de la electricidad de la energía eólica marina en comparación con otras fuentes en Alemania en 2018

La ventaja de ubicar turbinas eólicas en alta mar es que el viento es mucho más fuerte en las costas y, a diferencia del viento en tierra, las brisas marinas pueden ser fuertes por la tarde, coincidiendo con el momento en que las personas están usando la mayor cantidad de electricidad. Las turbinas marinas también se pueden ubicar cerca de los centros de carga a lo largo de las costas, como las grandes ciudades, eliminando la necesidad de nuevas líneas de transmisión de larga distancia. Sin embargo, existen varias desventajas de las instalaciones en alta mar, relacionadas con una instalación más cara, dificultad de acceso y condiciones más duras para las unidades.

La ubicación de las turbinas eólicas en alta mar expone las unidades a alta humedad, agua salada y rocío de agua salada que afectan negativamente la vida útil, causan corrosión y oxidación, aumentan los costos de mantenimiento y reparación y, en general, hacen que todos los aspectos de la instalación y operación sean mucho más difíciles y consumen mucho tiempo. , más peligroso y mucho más caro que los sitios en tierra. La humedad y la temperatura se controlan mediante el aire acondicionado de la góndola sellada. El funcionamiento y la generación sostenidos de alta velocidad también aumentan proporcionalmente los requisitos de desgaste, mantenimiento y reparación.

El costo de la turbina representa solo de un tercio a la mitad de los costos totales en los proyectos costa afuera en la actualidad, el resto proviene de la infraestructura, el mantenimiento y la supervisión. Los costos de cimentaciones, instalación, conexiones eléctricas y operación y mantenimiento (O&M) son una gran parte del total de las instalaciones marinas en comparación con los parques eólicos terrestres. El costo de instalación y conexión eléctrica también aumenta rápidamente con la distancia a la costa y la profundidad del agua.

Otras limitaciones de la energía eólica marina están relacionadas con el número todavía limitado de instalaciones. La industria eólica marina aún no está completamente industrializada, ya que todavía existen cuellos de botella en el suministro a partir de 2017.

Costos de inversion

Los parques eólicos marinos tienden a tener turbinas más grandes en comparación con las instalaciones terrestres, y la tendencia es hacia un aumento continuo de tamaño. La economía de los parques eólicos marinos tiende a favorecer las turbinas más grandes, ya que los costos de instalación y conexión a la red disminuyen por unidad de energía producida. Además, los parques eólicos marinos no tienen la misma restricción en el tamaño de las turbinas eólicas terrestres, como la disponibilidad de tierra o los requisitos de transporte.

Costos de operacion

Los gastos operativos de los parques eólicos se dividen entre mantenimiento (38%), actividades portuarias (31%), operación (15%), derechos de licencia (12%) y costos varios (4%).

Los costos de operación y mantenimiento representan típicamente el 53% de los gastos operativos y entre el 25% y el 30% de los costos totales del ciclo de vida de los parques eólicos marinos. Los O&M se consideran una de las principales barreras para un mayor desarrollo de este recurso.

El mantenimiento de los parques eólicos marinos es mucho más caro que el de las instalaciones terrestres. Por ejemplo, un solo técnico en una camioneta puede acceder de manera rápida, fácil y segura a las turbinas en tierra en casi cualquier condición climática, salir de su vehículo y simplemente caminar hacia y dentro de la torre de turbinas para obtener acceso a toda la unidad en minutos. de llegar al lugar. El acceso similar a las turbinas marinas implica conducir hasta un muelle o muelle, cargar las herramientas y suministros necesarios en el bote, un viaje a la (s) turbina (s) eólica (s), asegurar el bote a la estructura de la turbina, transferir herramientas y suministros hacia y desde el bote a la turbina y turbina al barco y realizando el resto de los pasos en orden inverso. Además del equipo de seguridad estándar, como un casco, guantes y gafas de seguridad, es posible que se requiera que un técnico de turbinas en alta mar use un chaleco salvavidas, ropa impermeable o resistente al agua y tal vez incluso un traje de supervivencia si trabaja, el mar y las condiciones atmosféricas se aceleran. Rescate en caso de caída al agua improbable o imposible. Por lo general, se requieren al menos dos técnicos capacitados y capacitados en la operación y manejo de grandes embarcaciones a motor en el mar para tareas que un técnico con licencia de conducir puede realizar en tierra en una fracción del tiempo a una fracción del costo.

Costo de la energía

El costo de las turbinas marinas instaladas cayó un 30% a $ 78 / MWh en 2019, una caída más rápida que otros tipos de energía renovable. Se ha sugerido que la innovación a escala podría generar una reducción de costos del 25% en la energía eólica marina para 2020. El mercado de la energía eólica marina juega un papel importante en el logro del objetivo renovable en la mayoría de los países del mundo.

Las subastas en 2016 para proyectos futuros alcanzaron un coste de 54,5 € por megavatio hora (MWh) en el Borssele 3 & 4 de 700 MW debido a la licitación y el tamaño del gobierno, y de 49,90 € por MWh (sin transmisión) en el Kriegers Flak de 600 MW .

En septiembre de 2017 se adjudicaron contratos en el Reino Unido por un precio de ejercicio de £ 57,50 por MWh, lo que hizo que el precio fuera más barato que el nuclear y competitivo con el gas.

En septiembre de 2018 se adjudicaron contratos para Vineyard Wind, Massachusetts, EE. UU. A un costo de entre $ 65 y $ 74 por MWh.

Recursos eólicos marinos

Mapa de velocidades globales del viento en alta mar ( Global Wind Atlas 3.0)

Los recursos eólicos marinos son, por su naturaleza, enormes en escala y muy dispersos, considerando la proporción de la superficie del planeta cubierta por océanos y mares en comparación con la masa terrestre. Se sabe que las velocidades del viento en alta mar son considerablemente más altas que en la ubicación equivalente en tierra debido a la ausencia de obstáculos de masa terrestre y la menor rugosidad de la superficie del agua en comparación con las características de la tierra como bosques y sabanas, un hecho que se ilustra en los mapas globales de velocidad del viento. que cubren áreas tanto en tierra como en alta mar utilizando los mismos datos de entrada y metodología. Para el Mar del Norte , la energía de las turbinas eólicas es de alrededor de 30  kWh / m 2 de área marina, por año, entregada a la red. La energía por área de mar es aproximadamente independiente del tamaño de la turbina.

El potencial técnico de recursos explotables para la energía eólica marina es un factor de la velocidad media del viento y la profundidad del agua, ya que solo es posible generar electricidad a partir de recursos eólicos marinos donde se pueden anclar las turbinas. Actualmente, las turbinas eólicas marinas de cimientos fijos se pueden instalar hasta alrededor de 50 metros (160 pies) de profundidad del mar. Más allá de eso, se requerirían turbinas de cimentación flotante, lo que potencialmente permitiría la instalación a profundidades de hasta un kilómetro (3300 pies) según las tecnologías propuestas actualmente. Con base en un análisis de profundidades de agua viables y velocidades del viento superiores a siete metros por segundo (23 pies / s), se ha estimado que hay más de 17 teravatios (TW) de potencial técnico eólico marino en solo los 50 países estudiados, sin incluir la mayoría de los países de la OCDE, como Australia, Japón, Estados Unidos o Europa Occidental. Los países bien dotados como Argentina y China tienen casi 2TW y 3TW de potencial respectivamente, lo que ilustra el enorme potencial de la energía eólica marina en tales lugares.

Planificación y permisos

Cuatro parques eólicos marinos se encuentran en el área del estuario del Támesis : Kentish Flats , Gunfleet Sands , Thanet y London Array . Este último fue el más grande del mundo hasta septiembre de 2018.

Se necesitan varias cosas para obtener la información necesaria para planificar la puesta en servicio de un parque eólico marino. La primera información requerida son las características de la energía eólica marina. Los datos adicionales necesarios para la planificación incluyen la profundidad del agua, las corrientes, el lecho marino, la migración y la acción de las olas, todos los cuales impulsan la carga mecánica y estructural en las posibles configuraciones de la turbina. Otros factores incluyen el crecimiento marino, la salinidad, la formación de hielo y las características geotécnicas del lecho del mar o del lago.

El hardware existente para mediciones incluye detección de luz y rango ( LIDAR ), detección y rango sónico ( SODAR ), radar , vehículos submarinos autónomos (AUV) y detección satelital remota, aunque estas tecnologías deben evaluarse y perfeccionarse, según un informe de un coalición de investigadores de universidades, la industria y el gobierno, con el apoyo del Centro Atkinson para un Futuro Sostenible .

Debido a los muchos factores involucrados, una de las mayores dificultades con los parques eólicos marinos es la capacidad de predecir cargas. El análisis debe tener en cuenta el acoplamiento dinámico entre los movimientos de plataforma y turbinas de traslación (oleaje, balanceo y alzamiento) y rotacional (balanceo, cabeceo y guiñada ), así como la caracterización dinámica de las líneas de amarre para sistemas flotantes. Las cimentaciones y subestructuras constituyen una gran fracción de los sistemas eólicos marinos y deben tener en cuenta todos y cada uno de estos factores. La transferencia de carga en la lechada entre la torre y los cimientos puede tensar la lechada, y se utilizan cojinetes elastoméricos en varias turbinas marinas británicas.

La corrosión también es un problema grave y requiere consideraciones de diseño detalladas. La perspectiva del monitoreo remoto de la corrosión parece muy prometedora utilizando la experiencia utilizada por la industria del petróleo / gas en alta mar y otras grandes plantas industriales.

Además, dado que se observó que la eficiencia de generación de energía de los parques eólicos a sotavento de los parques eólicos marinos disminuyó, es posible que la toma de decisiones estratégicas deba considerar, a nivel internacional, límites y potenciales de optimización.

Algunas de las pautas para el diseño de parques eólicos marinos son IEC 61400-3 , pero en los EE. UU. Son necesarios varios otros estándares. En la UE, los diferentes estándares nacionales deben simplificarse en pautas más coherentes para reducir los costos. Los estándares requieren que un análisis de cargas se base en condiciones externas específicas del sitio, como viento, olas y corrientes.

La fase de planificación y obtención de permisos puede costar más de $ 10 millones, tomar de 5 a 7 años y tener un resultado incierto. La industria está presionando a los gobiernos para que mejoren los procesos. En Dinamarca , muchas de estas fases han sido racionalizadas deliberadamente por las autoridades para minimizar los obstáculos, y esta política se ha extendido a los parques eólicos costeros con un concepto llamado "ventanilla única". Estados Unidos introdujo un modelo similar llamado "Smart from the Start" en 2012.

En la Unión Europea , la Directiva de Energías Renovables revisada de 2018 ha simplificado el proceso de permisos para ayudar a iniciar proyectos eólicos.

Marco legal

La instalación y operación de aerogeneradores marinos está regulada tanto en la legislación nacional como internacional. El marco legal internacional relevante es UNCLOS (Convención de las Naciones Unidas sobre el Derecho del Mar) que regula los derechos y responsabilidades de los Estados con respecto al uso de los océanos. La zona marítima en la que se encuentran las turbinas eólicas marinas determina qué normas reguladoras se aplican.

En las aguas territoriales (hasta 12 millas náuticas desde la línea de base de la costa) el Estado ribereño tiene plena soberanía y, por tanto, la regulación de los aerogeneradores marinos se encuentra totalmente bajo la jurisdicción nacional.

La zona económica exclusiva (hasta 200 millas náuticas de la línea de base) no forma parte del territorio del Estado, pero está sujeta a la jurisdicción y control exclusivos del Estado ribereño para fines seleccionados, uno de los cuales es la producción de energía a partir de los vientos. Esto significa que dentro de esta zona, el Estado ribereño tiene derecho a instalar y operar parques eólicos marinos y a establecer zonas de seguridad a su alrededor que deben ser respetadas por todos los buques, siempre que se haya dado el debido aviso sobre la instalación. Además, ni las instalaciones ni las zonas de seguridad pueden interferir con las rutas marítimas que se consideran esenciales para la navegación internacional.

Más allá de las zonas económicas exclusivas están la alta mar o las aguas internacionales . Dentro de esta zona, el propósito de producir energía no se menciona explícitamente como una libertad en alta mar y, por lo tanto, el estatus legal de las instalaciones eólicas marinas no está claro. En el ámbito académico, se ha argumentado que la incertidumbre sobre el estatus legal de las instalaciones eólicas marinas en alta mar podría convertirse en objeto de disputas interestatales sobre los derechos de uso. Como solución, se ha sugerido que las instalaciones eólicas marinas podrían incorporarse como una libertad en alta mar al ser consideradas como barcos o islas , instalaciones y estructuras artificiales .

A partir de 2020, la producción de energía a partir de los vientos en alta mar aún no es técnicamente factible debido a las complicaciones que se derivan de las aguas más profundas. Sin embargo, el avance de la tecnología de las turbinas eólicas flotantes es un paso hacia la realización de proyectos eólicos de aguas profundas.

Tipos

Progresión de la evolución esperada de la turbina eólica hacia aguas más profundas
Potencial técnico estimado para la energía eólica marina fija y flotante en Vietnam en términos de capacidad de potencia instalada en megavatios (MW) dentro de los 200 kilómetros de la costa
Fundación de trípodes para parques eólicos marinos en 2008 en Wilhelmshaven , Alemania

Como regla general, las turbinas eólicas marinas de cimentación fija se consideran técnicamente viables en áreas con una profundidad de agua inferior a 50 metros (160 pies) y velocidades de viento promedio superiores a 7 metros por segundo (23 pies / s). Las turbinas eólicas flotantes marinas se consideran técnicamente viables con profundidades de agua de 50 a 1000 metros (160 a 3280 pies). El mapa de Vietnam que se muestra proporciona una estimación del potencial técnico para ese país tanto para cimientos fijos como para turbinas eólicas marinas flotantes de acuerdo con la profundidad del agua.

Fundación fija

Casi todos los parques eólicos marinos que operan actualmente emplean turbinas de cimentación fija, con la excepción de algunos proyectos piloto. Las turbinas eólicas marinas con cimientos fijos tienen cimientos fijos bajo el agua y se instalan en aguas relativamente poco profundas de hasta 50 a 60 metros (160 a 200 pies).

Los tipos de estructuras submarinas incluyen monopile , trípode y encamisado, con varios cimientos en el fondo del mar, incluidos monopile o múltiples pilotes, base de gravedad y cajones . Las turbinas marinas requieren diferentes tipos de bases para su estabilidad, según la profundidad del agua. Hasta la fecha existen varias soluciones diferentes:

  • La mayoría de los cimientos son de base monopilote (columna única), de seis metros (20 pies) de diámetro, se utiliza en aguas de hasta 30 metros (100 pies) de profundidad.
  • Estructuras de camisa de acero convencionales, como se utilizan en la industria del petróleo y el gas, en agua de 20 a 80 metros (70 a 260 pies) de profundidad.
  • Estructuras de base por gravedad, para uso en sitios expuestos en agua de 20 a 80 m de profundidad.
  • Estructuras apiladas en trípode , en agua de 20 a 80 m de profundidad.
  • Estructuras de cajón de succión con trípode, en agua de 20 a 80 m de profundidad.

Se pueden fabricar monpilas de hasta 11 metros (36 pies) de diámetro a 2.000 toneladas, pero las más grandes hasta ahora son 1.300 toneladas, lo que está por debajo del límite de 1.500 toneladas de algunos buques grúa. Los otros componentes de la turbina son mucho más pequeños.

El sistema de subestructura de pilotes de trípode es un concepto más reciente desarrollado para alcanzar aguas más profundas que los sistemas de monopilotes, con profundidades posibles de hasta 60 m. Esta tecnología consta de tres monopilotes unidos entre sí a través de una pieza de unión en la parte superior. La principal ventaja de esta solución es la sencillez de la instalación, que se realiza instalando los tres monopiles y luego añadiendo la junta superior. La base más grande también disminuye el riesgo de volcarse.

Una estructura de camisa de acero proviene de una adaptación a la industria eólica marina de conceptos que se han utilizado en la industria del petróleo y el gas durante décadas. Su principal ventaja radica en la posibilidad de alcanzar mayores profundidades (hasta 80 m). Sus principales limitaciones se deben a los elevados costes de construcción e instalación.

Flotante

Blue H Technologies: la primera turbina eólica flotante del mundo

Para lugares con profundidades de más de 60 a 80 m, los cimientos fijos son antieconómicos o técnicamente inviables, y se necesitan turbinas eólicas flotantes ancladas al fondo del océano. Blue H Technologies , que finalmente fue adquirida por Seawind Ocean Technology , instaló la primera turbina eólica flotante del mundo en 2007. Hywind es la primera turbina eólica flotante a gran escala del mundo, instalada en el Mar del Norte frente a Noruega en 2009. Hywind Scotland , encargado en Octubre de 2017, es el primer parque eólico flotante operativo, con una capacidad de 30 MW. Se han desplegado otros tipos de turbinas flotantes y se planean más proyectos.

Eje vertical

Aunque la gran mayoría de las turbinas eólicas terrestres y marinas a gran escala instaladas actualmente son de eje horizontal , se han propuesto turbinas eólicas de eje vertical para su uso en instalaciones marinas. Gracias a la instalación en alta mar y a su menor centro de gravedad, estas turbinas se pueden construir en principio más grandes que las turbinas de eje horizontal, con diseños propuestos de hasta 20 MW de capacidad por turbina. Esto podría mejorar la economía de escala de los parques eólicos marinos. Sin embargo, no se han instalado demostraciones a gran escala de esta tecnología.

Consideraciones sobre los materiales de construcción de la turbina

Dado que las turbinas eólicas marinas están ubicadas en océanos y grandes lagos, los materiales utilizados para las turbinas deben ser modificados de los materiales utilizados para las turbinas eólicas terrestres y optimizados para la resistencia a la corrosión del agua salada y las nuevas fuerzas de carga experimentadas por la torre siendo parcialmente sumergido en agua. Dado que una de las principales razones del interés en la energía eólica marina son las velocidades del viento más altas, algunas de las diferencias de carga provendrán de fuerzas de cizallamiento más altas entre la parte superior e inferior de la turbina eólica debido a las diferencias en las velocidades del viento. También se deben tener en cuenta las cargas de choque que experimentarán las olas alrededor de la base de la torre, que convergen en el uso de torres tubulares de acero para aplicaciones eólicas marinas.

Dado que las turbinas eólicas marinas están constantemente expuestas a la sal y el agua, el acero utilizado para el monopile y la torre de la turbina debe tratarse para resistencia a la corrosión, especialmente en la base de la torre en la "zona de salpicadura" para las olas que rompen contra la torre y en el monopile. Dos técnicas que pueden usarse incluyen la protección catódica y el uso de recubrimientos para reducir las picaduras por corrosión, que es una fuente común de agrietamiento por tensión inducido por hidrógeno . Para la protección catódica, los ánodos galvanizados están unidos al monopila y tienen una diferencia de potencial suficiente con el acero para corroerse preferentemente sobre el acero utilizado en el monopila. Algunos recubrimientos que se han aplicado a turbinas eólicas marinas incluyen recubrimientos de zinc por inmersión en caliente y 2-3 recubrimientos epoxi con una capa superior de poliuretano.

Instalación

Varias estructuras de cimentación para aerogeneradores marinos en el puerto de Bremerhaven

Se utilizan plataformas elevadoras especializadas (embarcaciones de instalación de turbinas) para instalar cimientos y turbinas. A partir de 2019, se está construyendo la próxima generación de embarcaciones, capaces de levantar de 3 a 5 000 toneladas a 160 metros (520 pies). Los componentes grandes pueden ser difíciles de instalar y los giroscopios pueden mejorar la precisión del manejo.

En los últimos años se ha utilizado un gran número de cimentaciones monopiladas para la construcción económica de parques eólicos marinos de fondo fijo en ubicaciones de aguas poco profundas. Cada uno utiliza un único elemento estructural de cimentación, generalmente de gran diámetro, para soportar todas las cargas (peso, viento, etc.) de una gran estructura sobre la superficie. Otros tipos son trípodes (acero) y cimentaciones con base de gravedad (hormigón).

El proceso de construcción típico para una base monopilada submarina de turbina eólica en arena incluye el uso de un martinete para clavar un gran pilote de acero hueco a 25 metros (82 pies) de profundidad en el lecho marino, a través de una capa de 0,5 metros (20 pulgadas) de mayor tamaño. piedra y grava para minimizar la erosión alrededor del pilote. Estos pilotes pueden tener cuatro metros (13 pies) de diámetro con paredes de aproximadamente 50 milímetros (2,0 pulgadas) de espesor. Una pieza de transición (completa con características preinstaladas como disposición de aterrizaje de botes, protección catódica , conductos de cables para cables submarinos, brida de torre de turbina, etc.) se une al pilote ahora profundamente hincado, la arena y el agua se eliminan desde el centro de la pila y reemplazado con concreto . Se aplica una capa adicional de piedra aún más grande, de hasta 0,5 m de diámetro, a la superficie del lecho marino para una protección contra la erosión a más largo plazo.

Para facilitar la instalación de las torres y su conexión al lecho marino, se instalan en dos partes, la parte debajo de la superficie del agua y la parte sobre el agua. Las dos partes de la torre están unidas por una pieza de transición que se rellena con una conexión con lechada. La conexión con lechada ayuda a transferir las cargas experimentadas por la torre de la turbina a la base monopilote más estable de la turbina. Una técnica para fortalecer la lechada utilizada en las conexiones es incluir cordones de soldadura conocidos como llaves de corte a lo largo de la conexión de lechada para evitar cualquier deslizamiento entre el monopilote y la torre.

Conexión a la red

Una estructura en alta mar para albergar una estación convertidora de HVDC para parques eólicos marinos está siendo movida por un barco de carga pesada en Noruega.

Hay varios tipos diferentes de tecnologías que se están explorando como opciones viables para integrar la energía eólica marina en la red terrestre. El método más convencional es a través de líneas de transmisión de corriente alterna de alto voltaje (HVAC). Las líneas de transmisión HVAC son actualmente la forma más utilizada de conexiones a la red para turbinas eólicas marinas. Sin embargo, existen limitaciones importantes que impiden que la HVAC sea práctica, especialmente a medida que aumenta la distancia a las turbinas en alta mar. Primero, la HVAC está limitada por las corrientes de carga de los cables, que son el resultado de la capacitancia en los cables. Los cables de CA submarinos tienen una capacitancia mucho más alta que los cables de CA aéreos, por lo que las pérdidas debidas a la capacitancia se vuelven mucho más significativas y la magnitud del voltaje en el extremo receptor de la línea de transmisión puede ser significativamente diferente de la magnitud en el extremo generador. Para compensar estas pérdidas, se deben agregar más cables o compensación reactiva al sistema. Ambos agregan costos al sistema. Además, debido a que los cables de HVAC tienen tanto potencia real como reactiva fluyendo a través de ellos, puede haber pérdidas adicionales. Debido a estas pérdidas, las líneas subterráneas de HVAC están limitadas en cuanto a su extensión. Se considera que la distancia máxima apropiada para la transmisión de HVAC para energía eólica marina es de alrededor de 80 kilómetros (50 millas).

El uso de cables de corriente continua de alto voltaje (HVDC) ha sido una alternativa propuesta al uso de cables HVAC. Los cables de transmisión HVDC no se ven afectados por las corrientes de carga del cable y experimentan menos pérdida de potencia porque HVDC no transmite potencia reactiva. Con menos pérdidas, las líneas submarinas de HVDC pueden extenderse mucho más lejos que las de HVAC. Esto hace que HVDC sea preferible para colocar turbinas eólicas muy lejos de la costa. Sin embargo, HVDC requiere convertidores de potencia para conectarse a la red de CA. Para esto se han considerado tanto los convertidores conmutados de línea (LCC) como los convertidores de fuente de voltaje (VSC) . Aunque los LCC son una tecnología mucho más extendida y más barata, los VSC tienen muchos más beneficios, incluido el control independiente de potencia activa y reactiva. Se han realizado nuevas investigaciones para desarrollar tecnologías HVDC híbridas que tengan una LCC conectada a un VSC a través de un cable de CC.

Para transportar la energía de las turbinas eólicas marinas a las plantas de energía terrestres, el cableado debe colocarse a lo largo del fondo del océano. El cableado debe poder transferir grandes cantidades de corriente de manera eficiente, lo que requiere la optimización de los materiales utilizados para el cableado, así como la determinación de las rutas de los cables para el uso de una cantidad mínima de materiales de cable. Una forma de reducir el costo de los cables utilizados en estas aplicaciones es convertir los conductores de cobre en conductores de aluminio; sin embargo, el reemplazo sugerido plantea un problema de mayor movimiento del cable y daño potencial ya que el aluminio es menos denso que el cobre.

Mantenimiento

Turbinas eólicas marinas del parque eólico Rødsand en el cinturón de Fehmarn , la parte occidental del mar Báltico entre Alemania y Dinamarca (2010)

Las turbinas son mucho menos accesibles cuando están en alta mar (lo que requiere el uso de una embarcación de servicio o un helicóptero para el acceso de rutina y una plataforma autoelevadora para servicios pesados, como el reemplazo de la caja de cambios) y, por lo tanto, la confiabilidad es más importante que para una turbina en tierra. Algunos parques eólicos ubicados lejos de posibles bases en tierra tienen equipos de servicio que viven en el sitio en unidades de alojamiento en alta mar . Para limitar los efectos de la corrosión en las palas de una turbina eólica, se aplica una cinta protectora de materiales elastoméricos, aunque los recubrimientos de protección contra la erosión de las gotas brindan una mejor protección contra los elementos.

Una organización de mantenimiento realiza el mantenimiento y las reparaciones de los componentes, gastando casi todos sus recursos en las turbinas. La forma convencional de inspeccionar las palas es que los trabajadores bajen en rápel , tomando un día por turbina. Algunas granjas inspeccionan las palas de tres turbinas por día fotografiándolas desde el monopile a través de una lente de 600 mm , evitando subir. Otros usan drones con cámara .

Debido a su naturaleza remota, los sistemas de pronóstico y monitoreo de la salud en las turbinas eólicas marinas serán mucho más necesarios. Permitirían una mejor planificación del mantenimiento justo a tiempo, reduciendo así los costos de operación y mantenimiento. Según un informe de una coalición de investigadores de universidades, la industria y el gobierno (con el apoyo del Centro Atkinson para un Futuro Sostenible ), hacer que los datos de campo de estas turbinas estén disponibles sería invaluable para validar códigos de análisis complejos utilizados para el diseño de turbinas. Reducir esta barrera contribuiría a la formación de ingenieros especializados en energía eólica.

Desmantelamiento

A medida que los primeros parques eólicos marinos llegan al final de su vida útil, se desarrolla una industria de demolición para reciclarlos a un costo de DKK 2-4 millones ($ 300,000-600,000 USD) aproximadamente por MW, que será garantizado por el propietario. El primer parque eólico marino que se clausuró fue Yttre Stengrund en Suecia en noviembre de 2015, seguido de Vindeby en 2017 y Blyth en 2019.

Impacto medioambiental

Los parques eólicos marinos tienen un potencial de calentamiento global muy bajo por unidad de electricidad generada, comparable al de los parques eólicos terrestres. Las instalaciones en alta mar también tienen la ventaja de un impacto limitado del ruido y en el paisaje en comparación con los proyectos en tierra. Además, en unos pocos casos locales hay evidencia de que las instalaciones eólicas marinas han contribuido a la restauración de ecosistemas dañados al funcionar como arrecifes artificiales .

Si bien la industria eólica marina ha crecido drásticamente en las últimas décadas, todavía existe una gran incertidumbre asociada con la forma en que la construcción y operación de estos parques eólicos afectan a los animales marinos y al medio ambiente marino. Las preocupaciones ambientales comunes asociadas con los desarrollos eólicos marinos incluyen:

  • El riesgo de que las aves marinas sean golpeadas por las palas de las turbinas eólicas o sean desplazadas de hábitats críticos;
  • El ruido subacuático asociado con el proceso de instalación de propulsión de turbinas monopilotes en el lecho marino;
  • La presencia física de parques eólicos marinos que alteran el comportamiento de mamíferos marinos, peces y aves marinas con atracción o evitación;
  • La posible interrupción del entorno marino de campo cercano y campo lejano debido a grandes proyectos eólicos marinos.
  • El riesgo de introducción de especies invasoras al remolcar cimientos de un puerto a otro.

Debido a que la energía eólica marina es una industria relativamente nueva, todavía no hay ninguna evidencia sobre los impactos ambientales a largo plazo de las actividades eólicas marinas ni estudios sobre los efectos acumulativos en varias actividades marinas en la misma área.

La base de datos de Tethys proporciona acceso a literatura científica e información general sobre los posibles efectos ambientales de la energía eólica marina.

Los parques eólicos marinos más grandes

Parques eólicos marinos con una capacidad de al menos 500 MW
Granja eólica Localización Coordenadas del sitio Capacidad
( MW )

Número de turbinas

Modelo de turbinas
Puesta en
fecha
Refs
Hornsea 1  Reino Unido 53 ° 53′06 ″ N 1 ° 47′28 ″ E / 53.885 ° N 1.791 ° E / 53,885; 1.791 ( Hornsea 1 ) 1.218 174 Siemens Gamesa SWT-7.0-154 2019
Borssele 1 y 2  Países Bajos 752 94 Siemens Gamesa 8MW 2020
Borssele 3 y 4  Países Bajos 731,5 77 MHI Vestas V164 9.5MW 2021
East Anglia ONE  Reino Unido 52 ° 14′53.8573 ″ N 2 ° 30′23.4094 ″ E / 52.248293694 ° N 2.506502611 ° E / 52.248293694; 2.506502611 714 102 Siemens Gamesa SWT-7.0-154 2020
Extensión Walney  Reino Unido 54 ° 5′17 ″ N 3 ° 44′17 ″ O / 54.08806 ° N 3.73806 ° W / 54.08806; -3.73806 ( Extensión Walney ) 659 40 + 47 MHI - Vestas 8,25 MW
Siemens Gamesa 7 MW
2018
London Array  Reino Unido 51 ° 38′38 ″ N 01 ° 33′13 ″ E / 51,64389 ° N 1,55361 ° E / 51,64389; 1.55361 ( Matriz de Londres ) 630 175 Siemens Gamesa SWT-3.6-120 2013
Parque eólico Gemini  Países Bajos 54 ° 2′10 ″ N 05 ° 57′47 ″ E / 54.03611 ° N 5.96306 ° E / 54.03611; 5.96306 ( Parque eólico Gemini ) 600 150 Siemens Gamesa SWT-4.0 2017
Beatriz  Reino Unido 58 ° 7′48 ″ N 3 ° 4′12 ″ W / 58,13000 ° N 3,07000 ° W / 58.13000; -3.07000 ( Parque eólico Beatrice ) 588 84 Siemens Gamesa SWT-7.0-154 2019
Gode ​​Wind (fases 1 + 2)  Alemania 54 ° 04′N 7 ° 02′E / 54.067 ° N 7.033 ° E / 54,067; 7.033 ( Gode ​​Viento I + II ) 582 97 Siemens Gamesa SWT-6.0-154 2017
Gwynt y Môr  Reino Unido 53 ° 27′00 ″ N 03 ° 35′00 ″ W / 53,45000 ° N 3,58333 ° W / 53,45000; -3.58333 ( Gwynt y Môr ) 576 160 Siemens Gamesa SWT-3.6-107 2015
Banco de carreras  Reino Unido 53 ° 16'N 0 ° 50'E / 53.267 ° N 0.833 ° E / 53,267; 0,833 ( Banco de carreras ) 573 91 Siemens Gamesa SWT-6.0-154 2018
Mayor Gabbard  Reino Unido 51 ° 52′48 ″ N 1 ° 56′24 ″ E / 51.88000 ° N 1.94000 ° E / 51,88000; 1,94000 ( Parque eólico Greater Gabbard ) 504 140 Siemens Gamesa SWT-3.6-107 2012

Proyectos

La mayoría de los proyectos actuales se encuentran en aguas de Europa y Asia oriental.

También hay varios desarrollos propuestos en América del Norte. Se están desarrollando proyectos en los Estados Unidos en áreas ricas en viento de la costa este, los Grandes Lagos y la costa del Pacífico. En enero de 2012, se introdujo un enfoque regulatorio "Smart for the Start", diseñado para acelerar el proceso de ubicación y al mismo tiempo incorporar fuertes protecciones ambientales. Específicamente, el Departamento del Interior aprobó “áreas de energía eólica” frente a la costa donde los proyectos pueden pasar por el proceso de aprobación regulatoria más rápidamente. El primer parque eólico marino en los EE. UU. Es el parque eólico Block Island de 30 megavatios y 5 turbinas , que se puso en marcha en diciembre de 2016. Muchos pescadores deportivos y biólogos marinos creen que las bases de las cinco turbinas eólicas de 6 megavatios de Block Island están actuando como un arrecife artificial.

Otro parque eólico marino que se encuentra en fase de planificación se encuentra frente a la costa de Virginia Beach . El 3 de agosto de 2018, Dominion Energy anunció su programa piloto de dos turbinas eólicas que estará a 27 millas de la costa de Virginia Beach. El área está siendo sometida a una encuesta que tendrá una duración de 4 a 6 semanas.

La energía eólica canadiense en la provincia de Ontario está buscando varias ubicaciones propuestas en los Grandes Lagos , incluido el Trillium Power Wind 1 suspendido a aproximadamente 20 km de la costa y más de 400 MW de capacidad. Otros proyectos canadienses incluyen uno en la costa oeste del Pacífico.

India está analizando el potencial de las plantas de energía eólica marina, y se está planificando una planta de demostración de 100 MW frente a la costa de Gujarat (2014). En 2013, un grupo de organizaciones, liderado por el Consejo Global de Energía Eólica (GWEC) inició el proyecto FOWIND (Facilitando la energía eólica marina en India) para identificar zonas potenciales para el desarrollo de energía eólica marina en India y para estimular las actividades de I + D en este ámbito. zona. En 2014, FOWIND encargó al Centro de Estudios de Ciencia, Tecnología y Política (CSTEP) que llevara a cabo estudios de prefactibilidad en ocho zonas de Tamil Nadu que han sido identificadas con potencial.

Energía eólica marina por país

Turbinas eólicas marinas cerca de Copenhague , Dinamarca

La mayoría de los parques eólicos marinos se encuentran actualmente en el norte de Europa. El Reino Unido y Alemania por sí solos representaron aproximadamente dos tercios de la capacidad total de energía eólica marina instalada en todo el mundo en 2016. Otros países, como China, están expandiendo rápidamente su capacidad de energía eólica marina.

Lista de países por capacidad acumulada instalada de energía eólica marina (MW)
Rango País 2016 2017 2018 2019 2020
1 Reino Unido 5.156 6.651 7,963 9,723 10,428
2 porcelana 1,627 2,788 4.588 6.838 9.996
3 Alemania 4.108 5.411 6.380 7.493 7.689
4 Países Bajos 1,118 1,118 1,118 1,118 2.611
5 Bélgica 712 877 1,186 1,556 2,261
6 Dinamarca 1,271 1.268 1.329 1,703 1,703
7 Suecia 202 202 192 191 192
8 Corea del Sur 35 38 73 73 136
9 Taiwán 0 8 8 128 128
10 Vietnam 99 99 99 99 99
11 Japón 60 sesenta y cinco sesenta y cinco 85 85
12 Finlandia 32 92 87 71 71
13 Estados Unidos 30 30 30 30 42
14 Irlanda 25 25 25 25 25
15 Portugal 25
dieciséis España 5 5 5 5 5
17 Noruega 2 2 2 2 2
18 Francia 0 2 2 2 2
Total mundial 14,482 18.658 23.140 29.142 35.500

Ver también

Referencias