La energía eólica marina o energía eólica marina es la generación de electricidad mediante parques eólicos en masas de agua, normalmente en el mar. Hay velocidades del viento más altas en alta mar que en tierra, por lo que las granjas marinas generan más electricidad por cantidad de capacidad instalada. [1] Los parques eólicos marinos también son menos controvertidos [2] que los terrestres, ya que tienen menos impacto sobre las personas y el paisaje.
A diferencia del uso típico del término "offshore" 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 base fija en aguas relativamente poco profundas. Las turbinas eólicas flotantes para aguas más profundas se encuentran en una fase anterior de desarrollo e implementación.
En 2022, la capacidad nominal total de energía eólica marina en todo el mundo era de 64,3 gigavatios (GW). [3] China (49%), el Reino Unido (22%) y Alemania (13%) representan más del 75% de la capacidad instalada mundial. [3] El Proyecto Dos Hornsea de 1,4 GW en el Reino Unido fue el parque eólico marino más grande del mundo. Otros proyectos en etapa de planificación incluyen Dogger Bank en el Reino Unido con 4,8 GW y Greater Changhua en Taiwán con 2,4 GW. [4]
El coste de la energía eólica marina ha sido históricamente más alto que el de la terrestre, [5] pero los costos disminuyeron a 78 dólares/MWh en 2019. [6] La energía eólica marina en Europa se volvió competitiva en precio con las fuentes de energía convencionales en 2017. [7] La energía eólica marina La generación eléctrica creció a más del 30 por ciento anual 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 eléctrica mundial total. [8] Una gran ventaja de la energía eólica marina en comparación con la energía eólica terrestre es el mayor factor de capacidad , lo que significa que una instalación de determinada capacidad nominal producirá más electricidad en un sitio con viento más constante y más fuerte que generalmente se encuentra en alta mar y solo a muy bajas temperaturas. pocos puntos específicos en tierra.
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Europa es líder mundial en energía eólica marina, y el primer parque eólico marino ( Vindeby ) se instaló en Dinamarca en 1991. [16] En 2009, la capacidad nominal media de una turbina eólica marina en Europa era de unos 3 MW, y la Se esperaba que la capacidad de las futuras turbinas aumentara a 5 MW. [dieciséis]
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 de energía eólica marina no parece que va a ser grande". [17] [18] 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. [19]
En enero de 2014, se habían construido 69 parques eólicos marinos en Europa con una capacidad nominal anual media de 482 MW. [20] La capacidad total instalada de parques eólicos marinos en aguas europeas alcanzó los 6.562 MW. [20] El Reino Unido tenía, con diferencia, la mayor capacidad con 3.681 MW. Dinamarca ocupó el segundo lugar con 1.271 MW instalados y Bélgica el tercero con 571 MW. Alemania ocupó el cuarto lugar con 520 MW, seguida de Países Bajos (247 MW), Suecia (212 MW), Finlandia (26 MW), Irlanda (25 MW), España (5 MW), Noruega (2 MW) y Portugal (2 MW). ). [20]
A finales de 2015, se habían instalado y conectado a la red 3.230 turbinas en 84 parques eólicos marinos en 11 países europeos, lo que genera una capacidad total de 11.027 MW. [21] [22] La historia del desarrollo de parques eólicos en el Mar del Norte, en lo que respecta al Reino Unido, indica tres fases: costera, extracostera y ultramar en el período 2004 hasta 2021. [23] A través de la Con el desarrollo de la energía eólica marina, se espera que el Mar Báltico se convierta en una importante fuente de energía para los países de la región. Según la Declaración de Marienborg, firmada en 2022, todos los estados de la UE del Mar Báltico han anunciado sus intenciones de tener 19,6 gigavatios de energía eólica marina en funcionamiento para 2030. [24]
Fuera de Europa, el gobierno chino se había fijado objetivos ambiciosos de 5 GW de capacidad eólica marina instalada para 2015 y 30 GW para 2020, que eclipsarían la capacidad de otros países. Sin embargo, en mayo de 2014 la capacidad de energía eólica marina en China era de sólo 565 MW. [25] La capacidad marina en China aumentó en 832 MW en 2016, de los cuales 636 MW se fabricaron en China. [26]
El mercado de la construcción de energía eólica marina sigue bastante concentrado. A finales de 2015, Siemens Wind Power había instalado el 63 % de los 11 GW [27] de capacidad de energía eólica marina del mundo ; Vestas tenía el 19%, Senvion quedó en tercer lugar con el 8% y Adwen con el 6%. [28] [12] Aproximadamente 12 GW de capacidad de energía eólica marina estaban operativas, principalmente en el norte de Europa, de los cuales 3.755 MW entraron en funcionamiento durante 2015. [29] En 2020, el 90% del mercado mundial marino estaba representado por empresas europeas. . [30]
En 2017, la capacidad de energía eólica marina instalada en todo el mundo era de 20 GW. [31] En 2018, la energía eólica marina proporcionó solo el 0,3% del suministro mundial de electricidad. [32] Sin embargo, solo en 2018 se empleó una cantidad adicional de 4,3 GW de capacidad eólica marina a escala mundial. [32] En Dinamarca, el 50% de la electricidad provino de energía eólica en 2018, de la cual el 15% provino de energía marina. [33] 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. [34]
En 2010, la Agencia de Información Energética de Estados Unidos dijo que "la energía eólica marina es la tecnología de generación de energía más cara que se está considerando para su implementación a gran escala". [5] La situación de la energía eólica marina en 2010 presentaba desafíos económicos significativamente mayores que los de los sistemas terrestres, con precios en el rango de 2,5 a 3,0 millones de euros/MW. [35] Ese año, Siemens y Vestas eran proveedores de turbinas para el 90% de la energía eólica marina, mientras que Ørsted A/S (entonces llamada DONG Energy), Vattenfall y E.on eran los principales operadores marinos. [1]
En 2011, Ørsted estimó que, si bien las turbinas eólicas marinas aún no eran competitivas con los combustibles fósiles, lo serían dentro de 15 años. Hasta entonces, se necesitarían fondos estatales y fondos de pensiones. [36] A finales de 2011, había 53 parques eólicos marinos europeos en aguas frente a Bélgica, Dinamarca, Finlandia, Alemania, Irlanda, Países Bajos, Noruega, Suecia y el Reino Unido, con una capacidad operativa de 3.813 MW, [37 ] mientras que 5.603 MW estaban en construcción. [38] En 2011 se estaban construyendo parques eólicos marinos en aguas europeas por un valor de 8.500 millones de euros (11.400 millones de dólares).
En 2012, Bloomberg estimó que la energía procedente de turbinas eólicas marinas costaba 161 euros ( 208 dólares estadounidenses ) por MWh. [40]
Los costes de la energía eólica marina están disminuyendo mucho más rápido de lo esperado. En 2016, cuatro contratos ( Borssele y Kriegers ) ya estaban por debajo del precio más bajo previsto para 2050. [41] [42]
Los proyectos de energía eólica marina en Estados Unidos costarán 4.000 dólares por kilovatio para construirse en 2023, en comparación con 1.363 dólares por kilovatio para los parques eólicos terrestres. El coste de la energía eólica marina ha aumentado un 36 % desde 2019, mientras que el coste de la energía eólica terrestre ha aumentado solo un 5 % durante el mismo período. [43]
Algunos proyectos importantes de Estados Unidos se han visto obstaculizados debido a la inflación incluso después de que se dispusiera de subsidios a través de la Ley de Reducción de la Inflación . [44]
La Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) predijo en 2016 que la energía eólica marina crecerá hasta representar el 8% de la economía oceánica para 2030, y que su industria empleará a 435.000 personas, añadiendo 230.000 millones de dólares de valor. [46]
La Comisión Europea espera que la energía eólica marina tenga una importancia cada vez mayor en el futuro, ya que la energía eólica marina forma parte de su Pacto Verde . [47] El desarrollo de todo el potencial de la energía eólica marina en Europa es una de las acciones clave en la sección de Energía Limpia del Pacto Verde. [47]
Para 2050, la expectativa es que la capacidad instalada de energía eólica marina alcance los 1550 GW a escala mundial. [31] En comparación con la capacidad de 2017, esto corresponde a un aumento de 80 veces. [31]
Uno de los avances que caracteriza el desarrollo actual dentro de la industria offshore son las tecnologías que permiten proyectos de energía eólica marina más lejos de la costa, donde la disponibilidad de energía eólica es mayor. En particular, la adopción de tecnologías de cimentaciones flotantes ha demostrado ser una tecnología prometedora para liberar el potencial eólico en aguas más profundas. [48]
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 terrestre, la brisa en alta mar puede ser fuerte por la tarde, coincidiendo con el momento en que la gente usa la mayor cantidad de electricidad. Las turbinas marinas también pueden ubicarse cerca de los centros de carga a lo largo de las costas, como en las grandes ciudades, eliminando la necesidad de nuevas líneas de transmisión de larga distancia. [50] Sin embargo, existen varias desventajas de las instalaciones marinas, relacionadas con una instalación más costosa, dificultad de acceso y condiciones más duras para las unidades.
La ubicación de 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 cada aspecto de la instalación y operación sea mucho más difícil y requiere mucho tiempo. , más peligrosos y mucho más caros que los sitios en tierra. La humedad y la temperatura se controlan mediante aire acondicionado en la góndola sellada. [51] La operación y generación sostenida de alta velocidad también aumentan proporcionalmente los requisitos de desgaste, mantenimiento y reparación.
El coste de la turbina representa sólo entre un tercio y la mitad [35] de los costes totales de los proyectos marinos actuales; el resto proviene de infraestructura, mantenimiento y supervisión. Los costos de cimentación, instalación, conexiones eléctricas y operación y mantenimiento (O&M) representan 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. [52]
Otras limitaciones de la energía eólica marina están relacionadas con el número aún limitado de instalaciones. La industria eólica marina aún no está completamente industrializada, ya que todavía existen cuellos de botella en el suministro en 2017. [53]
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. [52] Además, los parques eólicos marinos no tienen las mismas restricciones en cuanto a tamaño que las turbinas eólicas terrestres, como la disponibilidad de terreno o los requisitos de transporte. [52]
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%). [54]
Los costos de operación y mantenimiento suelen representar 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. Las operaciones y mantenimiento 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 la turbina para obtener acceso a toda la unidad en cuestión de minutos. de llegar al sitio. Un acceso similar a las turbinas marinas implica conducir hasta un muelle o embarcadero, cargar las herramientas y suministros necesarios en el barco, un viaje hasta las turbinas eólicas, asegurar el barco a la estructura de la turbina, transferir herramientas y suministros hacia y desde el barco a la turbina y turbina al barco y realizando el resto de pasos en orden inverso. Además del equipo de seguridad estándar, como casco, guantes y gafas de seguridad, es posible que se requiera que un técnico de turbinas marinas use un chaleco salvavidas, ropa impermeable o resistente al agua y tal vez incluso un traje de supervivencia si las condiciones de trabajo, marítimas y atmosféricas dificultan la tarea. rescate en caso de caída al agua improbable o imposible. Por lo general, se necesitan al menos dos técnicos capacitados y capacitados para operar y manejar 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 y del costo.
El costo de las turbinas marinas instaladas cayó un 30% a 78 dólares/MWh en 2019, una caída más rápida que la de otros tipos de energía renovable. [6] Se ha sugerido que la innovación a escala podría generar una reducción de costos del 25% en energía eólica marina para 2020. [55] El mercado de energía eólica marina desempeña un papel importante en el logro del objetivo de energías renovables en la mayoría de los países del mundo.
Las subastas en 2016 para futuros proyectos alcanzaron costes de 54,5 euros por megavatio hora (MWh) en Borssele 3&4 de 700 MW [56] debido a la licitación gubernamental y el tamaño, [57] y 49,90 euros por MWh (sin transmisión) en 600 MW. Fuego antiaéreo de Krieger . [58]
En septiembre de 2017, se adjudicaron contratos en el Reino Unido por un precio de ejercicio de 57,50 libras esterlinas por MWh, lo que hace que el precio sea más barato que el de la energía nuclear y competitivo con el gas. [59]
En septiembre de 2018, se adjudicaron contratos para Vineyard Wind, Massachusetts, EE. UU., a un costo de entre 65 y 74 dólares por MWh. [60] [61]
Los recursos eólicos marinos son, por naturaleza, enormes en escala y muy dispersos, considerando la proporción entre 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 ubicaciones equivalentes en tierra firme debido a la ausencia de obstáculos de masa terrestre y a la menor rugosidad de la superficie del agua en comparación con características terrestres como bosques y sabanas, un hecho que se ilustra en los mapas globales de velocidad del viento. que cubren áreas terrestres y marinas 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 superficie marítima, por año, entregada a la red. La energía por superficie marítima es aproximadamente independiente del tamaño de la turbina. [62]
El potencial técnico de recurso explotable de la energía eólica marina es un factor de la velocidad media del viento y la profundidad del agua, ya que sólo es posible generar electricidad a partir de recursos eólicos marinos donde se puedan anclar las turbinas. Actualmente, las turbinas eólicas marinas de base fija se pueden instalar hasta unos 50 metros (160 pies) de profundidad del mar. Más allá de eso, se necesitarían turbinas de base flotante, lo que potencialmente permitiría la instalación a profundidades de hasta un kilómetro (3300 pies) según las tecnologías propuestas actualmente. [63] Sobre la base de 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 de energía eólica marina en solo los 50 países estudiados. , sin incluir a la mayoría de los países de la OCDE como Australia, Japón, Estados Unidos o Europa Occidental. Países bien dotados como Argentina y China tienen casi 2 TW y 3 TW de potencial respectivamente, lo que ilustra el enorme potencial de la energía eólica marina en esos lugares. [64]
Es necesario obtener varios tipos de información para poder planificar la puesta en marcha de un parque eólico marino. Éstas incluyen:
El hardware existente para mediciones incluye detección y alcance de luz ( LIDAR ), detección y alcance sónicos ( SODAR ), radar , vehículos submarinos autónomos (AUV) y detección remota por satélite, aunque estas tecnologías deben evaluarse y perfeccionarse, según un informe de un coalición de investigadores de universidades, industria y gobierno, apoyada por el Centro Atkinson para un Futuro Sostenible . [sesenta y cinco]
Debido a los muchos factores involucrados, una de las mayores dificultades de los parques eólicos marinos es la capacidad de predecir cargas. El análisis debe tener en cuenta el acoplamiento dinámico entre los movimientos de traslación (oleaje, balanceo y oleaje) y rotacional (balanceo, cabeceo y guiñada ) de la plataforma y los movimientos de la turbina, así como la caracterización dinámica de las líneas de amarre para sistemas flotantes. Los cimientos y subestructuras constituyen una gran fracción de los sistemas eólicos marinos y deben tener en cuenta todos y cada uno de estos factores. [sesenta y cinco]
La transferencia de carga en la lechada entre la torre y los cimientos puede estresar la lechada, y en varias turbinas marinas británicas se utilizan cojinetes elastoméricos . [66]
La corrosión también es un problema grave y requiere consideraciones de diseño detalladas. La perspectiva de la monitorización remota de la corrosión parece muy prometedora, utilizando la experiencia utilizada por la industria del petróleo y el gas en alta mar y otras grandes plantas industriales.
Además, como se descubrió que la eficiencia de generación de energía de los parques eólicos a sotavento de los parques eólicos marinos disminuye, es posible que la toma de decisiones estratégicas deba considerar límites y potenciales de optimización (a nivel transnacional). [67] [68]
Algunas de las directrices para el diseño de parques eólicos marinos se establecen en IEC 61400 -3, [69] [70] [71] , pero en EE. UU. son necesarias varias otras normas. [72]
En la Unión Europea (UE), se deben simplificar diferentes estándares nacionales en directrices más coherentes para reducir los costos. [73] Las normas exigen que un análisis de cargas se base en condiciones externas específicas del sitio, como el viento, las olas y las corrientes. [74]
La fase de planificación y obtención de permisos puede costar más de 10 millones de dólares, tardar entre 5 y 7 años y tener un resultado incierto. La industria está presionando a los gobiernos para que mejoren los procesos. [75] [76] En Dinamarca , muchas de estas fases han sido simplificadas deliberadamente por las autoridades para minimizar los obstáculos, [77] y esta política se ha extendido a los parques eólicos costeros con un concepto llamado "ventanilla única". [78] Estados Unidos introdujo un modelo similar llamado "Smart from the Start" en 2012. [79]
En la UE, la Directiva sobre energías renovables revisada de 2018 ha simplificado el proceso de obtención de permisos para ayudar a iniciar proyectos eólicos. [30]
La instalación y operación de aerogeneradores marinos está regulada tanto en el derecho nacional como en el internacional. El marco legal internacional relevante es la CONVEMAR (Convención de las Naciones Unidas sobre el Derecho del Mar) que regula los derechos y responsabilidades de los Estados en lo que respecta al uso de los océanos. [80] La zona marítima en la que se encuentran las turbinas eólicas marinas determina qué normas reglamentarias se aplican.
En las aguas territoriales (hasta 12 millas náuticas desde la línea de base de la costa) el Estado ribereño tiene plena soberanía [80] y, por tanto, la regulación de los aerogeneradores marinos está totalmente bajo jurisdicción nacional.
La zona económica exclusiva (hasta 200 millas náuticas fuera 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 del viento. [80] 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 alrededor de ellos que deben ser respetadas por todos los buques, siempre que se haya dado el debido aviso de 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. [80]
Más allá de las zonas económicas exclusivas están la alta mar, o las aguas internacionales . [80] 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 mundo 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. [81] Como solución, se ha sugerido que las instalaciones eólicas marinas podrían incorporarse como libertad en alta mar al ser consideradas como barcos o islas artificiales , instalaciones y estructuras. [81]
A partir de 2020, la producción de energía a partir del viento en alta mar aún no es técnicamente viable debido a las dificultades que surgen en aguas más profundas. [82] Sin embargo, el avance de la tecnología de las turbinas eólicas flotantes es un paso hacia la realización de proyectos eólicos en aguas profundas. [82]
Como regla general, las turbinas eólicas marinas de base fija se consideran técnicamente viables en áreas con una profundidad de agua inferior a 50 metros (160 pies) y velocidades promedio del viento superiores a 7 metros por segundo (23 pies/s). [63] Las turbinas eólicas marinas flotantes se consideran técnicamente viables con profundidades de agua de 50 a 1000 metros (160 a 3280 pies). El mapa de Vietnam mostrado proporciona una estimación del potencial técnico de ese país para turbinas eólicas marinas tanto de base fija como flotantes según la profundidad del agua.
Casi todos los parques eólicos marinos actualmente en funcionamiento emplean turbinas de base fija, con la excepción de unos pocos 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). [83]
Los tipos de estructuras submarinas incluyen monopilotes , trípodes y encamisados, con varios cimientos en el fondo del mar, incluidos monopilotes o pilotes múltiples, base de gravedad y cajones . [83] Las turbinas marinas requieren diferentes tipos de bases para su estabilidad, según la profundidad del agua. Hasta la fecha existen varias soluciones diferentes: [16] [84]
Se pueden fabricar monopilotes de hasta 11 metros (36 pies) de diámetro y 2.000 toneladas, pero los más grandes hasta ahora son de 1.300 toneladas, lo que está por debajo del límite de 1.500 toneladas de algunos buques grúa. Los demás componentes de la turbina son mucho más pequeños. [85]
El sistema de subestructura de pilotes trípode es un concepto más reciente desarrollado para alcanzar aguas más profundas que los sistemas monopilares, con profundidades posibles de hasta 60 m. Esta tecnología consta de tres monopilotes unidos entre sí mediante 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 monopilotes y añadiendo posteriormente la junta superior. La base más grande también reduce el riesgo de que se vuelque. [86]
Una estructura de camisa de acero surge 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. [86]
Para lugares con profundidades superiores a 60 a 80 m, los cimientos fijos no son económicos o técnicamente inviables, y se necesitan turbinas eólicas flotantes ancladas al fondo del océano. [87] [88] [89] Blue H Technologies , que finalmente fue adquirida por Seawind Ocean Technology , instaló la primera turbina eólica flotante del mundo en 2007. [90] [91] [92] Hywind es la primera turbina eólica flotante a gran escala del mundo. turbina eólica, instalada en el Mar del Norte frente a Noruega en 2009. [93] Hywind Scotland , puesto en funcionamiento en octubre de 2017, es el primer parque eólico flotante operativo, con una capacidad de 30 MW. Se han implementado otros tipos de turbinas flotantes y se planean más proyectos.
Aunque la gran mayoría de las turbinas eólicas terrestres y marinas a gran escala actualmente instaladas son de eje horizontal , se han propuesto turbinas eólicas de eje vertical para su uso en instalaciones marinas. Gracias a su instalación en alta mar y a su centro de gravedad más bajo, estas turbinas pueden en principio construirse 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. [52] Sin embargo, no se han instalado demostraciones a gran escala de esta tecnología.
Dado que las turbinas eólicas marinas están ubicadas en océanos y grandes lagos, los materiales utilizados para las turbinas deben modificarse con respecto a los materiales utilizados para las turbinas eólicas terrestres y optimizarse para la resistencia a la corrosión del agua salada y las nuevas fuerzas de carga experimentadas por la torre son parcialmente sumergido en agua. Dado que una de las principales razones del interés en la energía eólica marina son las mayores velocidades del viento, algunas de las diferencias de carga provendrán de mayores fuerzas de corte 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 impacto que experimentarán las olas alrededor de la base de la torre, lo que converge en el uso de torres tubulares de acero para aplicaciones eólicas marinas. [94]
Dado que las turbinas eólicas marinas están constantemente expuestas a la sal y al agua, el acero utilizado para el monopilar y la torre de la turbina debe tratarse para resistir la corrosión, especialmente en la base de la torre en la "zona de salpicadura" para las olas que rompen contra la torre y en la monopilote. Dos técnicas que se pueden utilizar 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 . [95] Para protección catódica, los ánodos galvanizados se fijan al monopilote y tienen una diferencia de potencial suficiente con el acero para corroerse preferentemente sobre el acero utilizado en el monopilote. Algunos recubrimientos que se han aplicado a turbinas eólicas marinas incluyen recubrimientos de zinc por inmersión en caliente y 2 o 3 recubrimientos epóxicos con una capa superior de poliuretano. [95]
Se utilizan equipos autoelevables especializados ( recipientes de instalación de turbinas eólicas ) para instalar los cimientos y la turbina. A partir de 2019, [actualizar]se está construyendo la próxima generación de embarcaciones, capaces de levantar entre 3 y 5000 toneladas a 160 metros (520 pies). [96] Los componentes grandes pueden ser difíciles de instalar y los giroscopios pueden mejorar la precisión del manejo. [97] El posicionamiento dinámico también se ha utilizado para mantener estable el martinete vibratorio al instalar los cimientos. [98]
En los últimos años se han utilizado un gran número de cimentaciones monopilotes para la construcción económica de parques eólicos marinos de fondo fijo en zonas de aguas poco profundas. [99] [100] 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 bases de gravedad (hormigón).
El proceso de construcción típico para una base monopilote 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. 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. Se fija una pieza de transición (completa con elementos preinstalados como dispositivo de desembarco de embarcaciones, protección catódica , conductos para cables submarinos, brida de torre de turbina, etc.) al pilote ahora profundamente hincado, se eliminan la arena y el agua. desde el centro del pilote 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 fondo marino para una protección contra la erosión a largo plazo. [100]
Para facilitar la instalación de las torres y conectarlas al fondo marino, se instalan en dos partes, la parte debajo de la superficie del agua y la parte sobre el agua. [94] Las dos partes de la torre están unidas por una pieza de transición que se rellena con una conexión de lechada. La conexión inyectada ayuda a transferir las cargas que experimenta la torre de la turbina a la base monopilar 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. [101]
Los componentes de las turbinas eólicas marinas son grandes. Se debe minimizar el transporte de componentes entre las instalaciones de fabricación y montaje antes de la instalación. Como resultado, se han construido instalaciones portuarias de energía eólica marina específicamente en las regiones con alta concentración de desarrollos de energía eólica marina. [102] Para grandes proyectos de parques eólicos marinos, los puertos eólicos marinos se convierten en centros estratégicos de la cadena de suministro de las instalaciones. [103]
Más allá de 2022, se espera que haya una escasez de embarcaciones de instalación de turbinas eólicas marinas (WTIV), [104] [105] especialmente aquellas capaces de instalar turbinas de más de 10 MW, y se prevé que la demanda de embarcaciones capaces de instalar turbinas eólicas marinas supere la oferta para 2024. [106 ]
“Los desarrolladores de energía eólica marina están empezando a responder a la falta de WTIV [buques de instalación de turbinas eólicas] capaces de instalar turbinas eólicas marinas de 12 MW y más, pero todavía hay incertidumbre con respecto a la capacidad de la flota mundial para manejar las instalaciones planificadas de energía eólica marina. capacidad eólica para mediados de la década de 2020 (Hartkopf-Mikkelsen 2020; Rystad Energy 2020). Un análisis de la Universidad de Tufts sobre los impactos de la cadena de suministro global en el mercado emergente de energía eólica marina de EE. UU. indica que la actual flota mundial de WTIV no está preparada para instalar turbinas eólicas de 12 MW o más (Bocklet et al. 2021)”. [107]
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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 conexión a la red para turbinas eólicas marinas. [108] Sin embargo, existen limitaciones importantes que impiden que la HVAC sea práctica, especialmente a medida que aumenta la distancia a las turbinas marinas. En primer lugar, HVAC está limitado por las corrientes de carga de los cables, [108] que son el resultado de la capacitancia de los cables. Los cables de CA submarinos tienen una capacitancia mucho mayor 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 al sistema más cables o compensación reactiva. Ambos añaden costos al sistema. [108] Además, debido a que los cables HVAC tienen energía real y reactiva fluyendo a través de ellos, puede haber pérdidas adicionales. [109] Debido a estas pérdidas, las líneas subterráneas de HVAC tienen limitaciones en cuanto a su extensión. Se considera que la distancia máxima apropiada para la transmisión HVAC de energía eólica marina es de alrededor de 80 kilómetros (50 millas). [108]
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 energía porque HVDC no transmite potencia reactiva. [110] Con menos pérdidas, las líneas submarinas HVDC pueden extenderse mucho más lejos que las HVAC. Esto hace que HVDC sea preferible para ubicar turbinas eólicas muy lejos de la costa. Sin embargo, HVDC requiere convertidores de potencia para conectarse a la red de CA. Para ello se han considerado tanto convertidores conmutados de línea (LCC) como convertidores de fuente de tensión (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 . [110] Se han realizado nuevas investigaciones para desarrollar tecnologías HVDC híbridas que tienen un LCC conectado a un VSC a través de un cable de CC. [110]
Para transportar la energía desde 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 rutas de cable para el uso de una cantidad mínima de materiales de cable. [94] 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 el problema de un mayor movimiento del cable y posibles daños, ya que el aluminio es menos denso que el cobre.
Un sistema de recarga de electricidad en alta mar llamado Stillstrom, que será lanzado por la empresa naviera danesa Maersk Supply Service , dará a los barcos acceso a energía renovable mientras estén en el mar. [111] El sistema, que conecta los barcos a la electricidad generada por parques eólicos marinos, está diseñado para reducir las emisiones de los barcos inactivos. [111]
Las turbinas son mucho menos accesibles en alta mar (lo que requiere el uso de un buque de servicio o un helicóptero para el acceso rutinario, y una plataforma elevadora para servicios pesados, como el reemplazo de cajas de engranajes) y, por lo tanto , la confiabilidad es más importante que para una turbina en tierra. [1] Algunos parques eólicos situados lejos de posibles bases terrestres cuentan con equipos de servicio que viven in situ en unidades de alojamiento en alta mar . [112] 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 por gotitas brindan una mejor protección contra los elementos. [113]
La protección catódica de corriente impresa (ICCP) se utiliza para proteger los monopilotes de turbinas eólicas y las plataformas flotantes de turbinas eólicas. Los sistemas ICCP son cada vez más populares como solución contra la corrosión, ya que no requieren monitoreo in situ y son más ecológicos y rentables que los sistemas galvánicos tradicionales. Mientras que los sistemas tradicionales de protección catódica de ánodo galvánico (GACP) funcionan con la fuerza impulsora natural entre dos metales, los sistemas ICCP utilizan una fuente de energía externa continua. [ cita necesaria ]
Una organización de mantenimiento realiza el mantenimiento y reparación de los componentes, gastando casi todos sus recursos en las turbinas. La forma convencional de inspeccionar las palas es que los trabajadores desciendan en rappel por la pala, tardando un día por turbina. Algunas granjas inspeccionan las palas de tres turbinas al día fotografiándolas desde el monopilar a través de un teleobjetivo de 600 mm , evitando subir. [114] Otros utilizan drones con cámara . [115]
Debido a su naturaleza remota, los sistemas de pronóstico y seguimiento del estado de las turbinas eólicas marinas serán mucho más necesarios. Permitirían una mejor planificación del mantenimiento justo a tiempo, reduciendo así los costes de operación y mantenimiento. Según un informe de una coalición de investigadores de universidades, industria y gobierno (con el apoyo del Centro Atkinson para un Futuro Sostenible ), [65] 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.
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 coste de entre 2 y 4 millones de coronas danesas (entre 300.000 y 600.000 dólares estadounidenses) aproximadamente por MW, que será garantizado por el propietario. [116] El primer parque eólico marino que se desmanteló fue Yttre Stengrund en Suecia en noviembre de 2015, seguido de Vindeby en 2017 y Blyth en 2019.
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 marinas también tienen la ventaja de tener un impacto limitado en el ruido y el paisaje en comparación con los proyectos terrestres.
A medida que los promotores privados de energía eólica marina se han vuelto cada vez más conscientes de los efectos secundarios ambientales, se ha producido un giro hacia métodos de construcción más sostenibles. Esto se puede ver a través de asociaciones con organizaciones benéficas y comunidades locales. En 2022, se anunció que Ørsted , un proveedor especializado en energía eólica marina, y la organización benéfica ambientalista Fondo Mundial para la Naturaleza (WWF) habían desarrollado una asociación global que tiene como objetivo promover un aumento en los proyectos de infraestructura eólica marina y al mismo tiempo garantizar que los impactos beneficiosos para La biodiversidad debe ser promovida y priorizada. [117] El proveedor de energía eólica marina Vattenfall declaró un paquete de inversión de quince millones de libras en el área local de Norfolk para apoyar proyectos basados en el cambio climático. [118]
A medida que la industria eólica marina ha evolucionado y expandido a gran escala, se han creado una serie de directivas europeas relativas a las consideraciones medioambientales necesarias que deben tener en cuenta los promotores. En 2008, se formó la Directiva Marco sobre la Estrategia Marina Europea cuyo elemento central implica una Evaluación de Impacto Ambiental (EIA) que mitiga cualquier efecto adverso sobre el medio marino causado por las infraestructuras eólicas marinas. [119] La EIA se implementó como un medio para prevenir mayores perturbaciones en aspectos como los organismos marinos, el fondo marino y el ecosistema en su conjunto, que se generan a partir de infraestructuras críticas como las instalaciones eólicas marinas. [120] Si el desarrollo de una infraestructura eólica marina no cumple con las medidas asociadas a una EIA, el operador está obligado a compensar al medio ambiente en otro aspecto con el fin de anular el daño que pueda crear. [121]
En noviembre de 2020, la Comisión Europea anunció la Estrategia de la Unión Europea sobre energías renovables marinas para contribuir al objetivo de neutralidad del cambio climático para 2050. La parte central de la estrategia es expandir la industria eólica marina de Europa utilizando su papel para incentivar la colaboración entre los estados miembros. , publicar orientaciones sobre el papel del desarrollo eólico a la luz de la legislación de la UE, así como para apoyar diversos proyectos público-privados. [122]
Si bien la industria eólica marina ha crecido dramáticamente en las últimas décadas, todavía existe una gran incertidumbre asociada con cómo la construcción y operación de estos parques eólicos afectan a los animales marinos y al medio ambiente marino. [123] Sin embargo, a medida que ha aumentado la capacidad de la energía eólica marina, un campo de investigación académica en desarrollo ha examinado continuamente una variedad de efectos secundarios ambientales durante las fases de construcción, operación y desmantelamiento del ciclo de vida de las turbinas. [124] Las diversas consecuencias ambientales afectan a una variedad de especies marinas, incluidas aves marinas, peces, focas y ballenas.
La instalación y desinstalación, así como el mantenimiento requerido de las estructuras eólicas marinas, tienen el potencial de producir impactos ambientales sustancialmente negativos hacia el medio marino. El momento de dichos procesos es clave, ya que se ha descubierto que la presencia de estas actividades durante los períodos de migración y reproducción puede tener impactos perjudiciales para la vida silvestre marina, como las aves marinas y los peces. [125] Además, se ha afirmado que la instalación de infraestructura eólica marina es un factor clave en el desplazamiento de la fauna marina, como las aves marinas; sin embargo, la falta de trabajos publicados disponibles sobre este asunto es limitada. [126]
Un impacto ambiental positivo significativo de las instalaciones eólicas marinas es el potencial para la creación de arrecifes artificiales . Estos arrecifes pueden facilitar indirectamente la diversificación de los organismos marinos, por lo que pueden prosperar una variedad de especies. [127] Sin embargo, los parques eólicos marinos tienen la capacidad de dañar los hábitats marinos debido a una interferencia con el sedimento en la parte superior del fondo marino. [128]
La evidencia sugiere, a partir de un estudio realizado en torno a las compensaciones de ruido de los parques eólicos marinos, que el proceso de instalación puede alterar los procesos físicos y de comportamiento de animales como las marsopas y las focas. [129] El bienestar de las aves marinas está en riesgo debido a la posibilidad de colisiones con las turbinas, además de hacer que las aves ajusten sus rutas de viaje, lo que puede afectar significativamente su resistencia como especie migratoria. [130] Además de esto, la presencia de parques eólicos marinos puede hacer que las aves marinas cambien su comportamiento debido a las compensaciones visuales y acústicas. [131]
Se ha observado que todas las formas de ruido submarino provenientes de desarrollos marinos tienen la capacidad de reducir la tasa de supervivencia de los animales marinos. [132] Desde 2015, ha habido un aumento en las muertes de ballenas en la costa este de los Estados Unidos de América. [133] Sin embargo, debido a que la construcción de parques eólicos frente a la costa de Nueva Jersey no ha comenzado en agosto de 2023, es poco probable que estas muertes de ballenas estén relacionadas con la energía eólica marina; más bien, los choques con embarcaciones y los enredos en redes de pesca son los culpables más probables de estas muertes, según la NOAA. [134]
Una investigación realizada en España encontró que la presencia visual de parques eólicos marinos puede disminuir la demanda de turismo recreativo, lo que genera consecuencias económicas nacionales y locales negativas para las comunidades costeras que albergan una industria eólica marina en desarrollo. [135] Sin embargo, otros han considerado este vínculo como exagerado, y parte de la opinión pública afirma apoyar la presencia física visual de las turbinas. [136] Este subtema representa cómo la investigación en torno a la energía eólica marina es todavía relativamente novedosa y también la introducción de nuevas afirmaciones que siguen siendo muy controvertidas.
La amenaza de especies invasoras se ha señalado como un riesgo ambiental significativo debido a que la energía eólica marina actúa como un hogar adecuado. Los impactos pueden incluir la posible desestabilización de la biodiversidad debido a la presencia de especies exóticas que provocan la distinción de otras formas de vida marina. [137]
A medida que se desarrolló la industria eólica marina, una serie de consideraciones ambientales han pasado a primer plano en relación con los procesos de decisión de planificación espacial de las turbinas. Como se demuestra en la sección anterior, en los últimos tiempos se ha planteado una amplia gama de preocupaciones ambientales en relación con la relación entre la energía eólica marina y el medio ambiente. Además de las consideraciones comúnmente consideradas sobre las condiciones del viento y la rentabilidad en la fase de planificación, la ubicación específica de parques eólicos marinos puede tener beneficios sustanciales para el medio marino sin perjudicar el capital empresarial. [138]
Los modelos de riesgo de colisión son un buen ejemplo de cómo la planificación espacial marina ha comenzado a incorporar protecciones ambientales en sus procedimientos. En 2022, el gobierno escocés publicó un estudio que describía una fórmula matemática para su propio modelo de riesgo de colisión que calculaba el potencial de las aves marinas de chocar contra las turbinas eólicas. [139]
Una expectativa creciente es que las políticas de planificación espacial se volverán cada vez más complejas. Como es necesario cumplir los objetivos de energía renovable, se ha afirmado que el desarrollo de la energía eólica marina fue en gran parte para resolver los problemas políticos que enfrentan las infraestructuras eólicas terrestres, pero en la realidad estos problemas se han replicado. [140] Se ha vuelto difícil equilibrar las consideraciones ambientales en el proceso de planificación con las partes interesadas relevantes, como los residentes locales. [141] La planificación espacial marina de los parques eólicos marinos es increíblemente política, con una variedad de agendas y actores que buscan influir en el proceso. [142] Sin embargo, como la planificación espacial marina ofrece un marco jurídico común, se ha afirmado que supone un beneficio general para las consideraciones medioambientales en relación con los desarrollos eólicos marinos. [143]
Mapa de localización
La mayoría de los proyectos actuales se encuentran en aguas de Europa y Asia Oriental.
También hay varios desarrollos propuestos en América del Norte. En Estados Unidos se están desarrollando proyectos en zonas 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. [162] 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 servicio en diciembre de 2016. [163] [164] Muchos pescadores deportivos y biólogos marinos creen que las bases de los cinco, 6- Las turbinas eólicas de megavatios frente a Block Island están actuando como un arrecife artificial. [165]
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 estarán a 27 millas de la costa de Virginia Beach. Se está realizando un estudio en la zona que durará entre 4 y 6 semanas. [166]
La energía eólica canadiense en la provincia de Ontario está persiguiendo varias ubicaciones propuestas en los Grandes Lagos , incluido el suspendido [167] Trillium Power Wind 1 a aproximadamente 20 km de la costa y con más de 400 MW de capacidad. [168] Otros proyectos canadienses incluyen uno en la costa occidental del Pacífico. [169]
La 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). [170] En 2013, un grupo de organizaciones, lideradas por el Consejo Mundial de Energía Eólica (GWEC) inició el proyecto FOWIND (Facilitando la energía eólica marina en la India) para identificar zonas potenciales para el desarrollo de la energía eólica marina en la India y estimular la I+D. actividades en esta área. En 2014, FOWIND encargó al Centro de Estudios de Ciencia, Tecnología y Políticas (CSTEP) la realización de estudios de prefactibilidad en ocho zonas de Tamil Nadu que han sido identificadas como con potencial. [171]
Los Países Bajos anunciaron el 11 de febrero de 2022 que el gobierno aumentó su objetivo de energía eólica marina a 21 GW para 2030. Esto cubriría aproximadamente el 75% de las necesidades eléctricas del país. De este modo, la energía eólica marina contribuye de forma importante a alcanzar el objetivo climático de un 55 % menos de emisiones de CO 2 . [172]
Los precios reales se han movido a la mitad de lo que predecían los expertos
En Kaskasi, Seaway 7 también utilizó ... tecnología de hinca de pilotes vibro para reducir las emisiones de ruido bajo el agua.
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