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El trípode es un tipo de cimentación para turbinas eólicas marinas . El trípode suele ser más caro que otros tipos de cimentación. Sin embargo, en el caso de turbinas de gran tamaño y de aguas más profundas, la desventaja de los costes puede compensarse si también se tiene en cuenta la durabilidad.
La exploración de la energía eólica marina comenzó con la introducción de cimentaciones monopilotes para turbinas eólicas en un rango de 1 a 3 MW en profundidades de agua de aproximadamente 10 a 20 m durante la década de 1990. [1] Alemania ya se enfrentaba a profundidades de agua de hasta 40 m cuando se unió a este nuevo campo de energía renovable . Al mismo tiempo apareció la clase de turbinas de 5 MW. Un representante de esta nueva generación de turbinas fue el Multibrid M5000 con un diámetro de rotor de 116 m, más tarde 135 m bajo las marcas Areva y Adwen . El primer prototipo de esta máquina se erigió en Bremerhaven en 2004 en tierra. Ya en esta etapa Bremerhaven había apoyado el desarrollo en nombre de BIS Bremerhavener Gesellschaft für Investitionsförderung und Stadtentwicklung mbH.
Desde el nuevo siglo, se ha buscado una base viable para las grandes turbinas que se construirán en el futuro y para las mayores profundidades del agua, a la luz de los métodos de evaluación geotécnica, los procesos de fabricación, los equipos de hincado de pilotes y los equipos de logística e instalación disponibles. Uno de los resultados fue la base Tripod. El primer diseño fue realizado por OWT – Offshore Wind Technology en Leer (Alemania) en 2005. El Tripod fue diseñado integralmente con la torre desde este comienzo temprano. La estructura de tres patas se extiende desde el lecho marino hasta típicamente 20 m por encima del nivel del agua del mar, manteniendo la brida atornillada en la parte superior a salvo de la cresta de las olas. Esta sección permite equiparse en tierra con todas las funcionalidades necesarias en términos de amarre de embarcaciones, guiado de cables y, por último, pero no menos importante, sistemas de protección contra la corrosión. La columna central está diseñada como un sistema abierto que permite un intercambio de agua sin restricciones en cada ciclo de mareas . Esta circunstancia es beneficiosa cuando el sistema de protección contra la corrosión tiene que diseñarse para las superficies internas.
El trípode se fija con pilotes de tamaño mediano en el fondo marino. Los pilotes pueden ser prepilotados o postpilotados. También se diseñó una base de balde de succión . Está previsto montar la primera sección de la torre, llamada S3, en alta mar sobre el trípode con una conexión de brida atornillada. Esta sección contiene la plataforma de servicio exterior y la puerta de entrada. Esta sección es accesible de forma independiente para los equipos eléctricos y los procedimientos de puesta en marcha en frío. Además, proporciona una altura sencilla, que se puede ahorrar en el lado del trípode. La altura de un trípode ya asciende a unos 60 m para una profundidad de agua de 40 m.
En 2006, OWT diseñó un demostrador en tierra Tripod para Multibrid GmbH, que WeserWind GmbH Offshore Construction Georgsmarienhütte fabricó y montó en Bremerhaven (Alemania). Este fue el comienzo de una colaboración duradera entre el desarrollador y fabricante de turbinas Multibrid, el diseñador de la cimentación OWT y el fabricante WeserWind. Si bien el diseño cubría en gran medida las necesidades de una cimentación de turbina marina, la fabricación era complicada incluso en lo que respecta al tamaño y la forma de la estructura. En aquella ocasión, WeserWind recibió el apoyo de su empresa hermana IAG Industrieanlagenbau Georgsmarienhütte GmbH, también miembro del grupo Georgsmarienhütte, en cuanto a la fabricación y el montaje. La primera operación de la turbina estuvo acompañada por el proyecto de investigación IMO-Wind [2] . Se han dado los primeros pasos en el control del estado, incluida la determinación de las curvas de tensión , el llamado estudio de "puntos calientes", para permitir la comparación con los modelos de cálculo.
En 2008, se construyeron trípodes como subestructura para seis turbinas eólicas marinas Multibrid M5000 en el proyecto Alpha Ventus . Alpha Ventus fue planificado como un primer campo de pruebas para la exploración de energía eólica marina en aguas alemanas. La organización del proyecto ha sido Deutsche Offshore-Testfeld und Infrastruktur GmbH & Co. KG, DOTI. Fue fundada en 2006 por EWE AG (47,5%), E.ON Climate & Renewables Central Europe GmbH y Vattenfall Europe Windkraft GmbH (cada una con un 26,25%) con la ayuda de Stiftung Offshore Windenergie. El Ministerio Federal de Medio Ambiente de Alemania (BMU) apoyó una serie de proyectos de investigación, que se resumieron en la iniciativa RAVE (Investigación en Alpha Ventus). Se obtuvo una amplia base de experiencia y conocimiento para la construcción, puesta en servicio y operación de futuros parques eólicos marinos . Los trípodes fueron fabricados por Aker Kvaerner en Verdal, Noruega. Se realizó un montaje horizontal de los trípodes de acuerdo con la experiencia de fabricación local del astillero, que proviene de la fabricación de grandes camisas de petróleo y gas, con posterior volcamiento y, por supuesto, navegación en posición vertical desde Noruega hasta la terminal offshore en Eemshaven. El transporte de los trípodes hasta el lugar se realizó mediante Taklift 4 desde Boskalis, uno por uno.
El año 2010 marcó el siguiente hito en la implementación de la turbina M5000 con la base Tripod. Los dos proyectos Borkum West II y Global Tech I decidieron construir sus parques utilizando esta plataforma tecnológica. En primer lugar, se encargaron 40 Tripods por proyecto casi al mismo tiempo. Previendo esta demanda, WeserWind había desarrollado en los años anteriores un enfoque de producción en serie para Tripods, junto con Dr. Möller GmbH / IMS Nord, [3] Bremerhaven. Los parámetros clave de este enfoque son el concepto de montaje vertical, la configuración de una línea de montaje con hasta nueve estaciones de trabajo, el transporte de las estructuras de cultivo en nombre de los transportadores ferroviarios de carga pesada a lo largo de la línea de montaje y la operación de descarga integrada a un pontón hecho a medida. Basándose en este concepto, Georgsmarienhütte lanzó el programa de inversión para construir este taller de montaje con dos líneas paralelas en Lunedeich, Bremerhaven. El edificio estuvo operativo a principios de 2011 y en junio se completó el primer Tripod de Borkum-West II.
En diciembre de 2011, el pontón fue bautizado y, tras una importante modernización, BLG Logistics Solutions GmbH & Co. KG puso en funcionamiento la terminal offshore ABC-Peninsula. Entre 2011 y 2013, se construyeron en esta ubicación 100 trípodes. El tiempo de ciclo para toda la planta se redujo a cinco días naturales por estructura. El ciclo de carga se redujo a cuatro horas. Además, SIAG Emden y el consorcio Iemants NV con Eiffage Construction Métallique SAS en Vlissingen fabricaron en total 20 trípodes en ese tiempo en posición vertical. La tecnología de transporte offshore se ha desarrollado significativamente desde Alpha Ventus. El elevador para construcción offshore "Innovation" de HGO InfraSea Solutions GmbH & Co. KG se puso en funcionamiento en 2012 y realizó su primer trabajo para Global Tech 1 transportando tres trípodes y juegos de pilotes por vela. Para el proyecto Borkum West II estuvieron en servicio los buques grúa “Stanislaw Yudin” y “Oleg Strassnow” de SHL Seaway Heavy Lifting.
La particularidad del trípode es la combinación de una estructura sobre el agua como una solución de monopilote con una superficie expuesta pequeña, un rendimiento robusto en escenarios de riesgo y una transición fácil a la parte de la torre con el efecto de soporte y el rendimiento de una estructura de celosía. Los puntos calientes se evitan en el entorno agresivo de la zona de salpicaduras mediante el diseño, lo que permite una evaluación gratuita de la fatiga por corrosión .
En la energía eólica, la coordinación de la dinámica de la estructura, caracterizada por las frecuencias en las que oscila principalmente, tiene especial importancia debido a la excitación por el rotor de la turbina. El comportamiento del Trípode se sitúa entre el Monopilote, que tiende a ser más blando, y el Jacket, que a su vez es más rígido.
El área de aplicación en términos de profundidad del agua se predijo inicialmente en al menos 25 metros hasta una profundidad de 50 m. [4] La impresionante expansión de la tecnología Monopile en los últimos años amplió su campo de aplicación hasta los 40 m en la actualidad. Por lo tanto, el trípode desapareció de escena. Además del mayor esfuerzo de fabricación de los trípodes, los esfuerzos de transporte e instalación podrían volverse aún más comparables a medida que más crezcan las estructuras. Finalmente, la idoneidad específica del trípode para los sistemas de protección contra la corrosión seguirá siendo una diferencia significativa con el Monopile. El rendimiento de las estructuras a lo largo de la vida útil y las evaluaciones de diligencia debida de los activos en etapas posteriores del ciclo de vida podrían dar motivos para conciliar los argumentos.
Al igual que otras estructuras de celosía como Jackets, el trípode se fija con pilotes en el fondo marino. La cantidad de tres patas da como resultado una estabilidad suficiente en la situación sin pilotes o sin lechada, lo que brinda una ventana climática confiable para la instalación. Los parámetros de diseño para los pilotes se pueden elegir independientemente del propio trípode y reflejan explícitamente las necesidades geotécnicas. No es necesario aplicar protección contra la erosión .
La conexión con el pilote se realiza normalmente mediante una conexión con lechada. Se trata de una técnica en la que se vierte hormigón especial en el espacio de unión entre el pilote y la vaina del pilote. Debido al efecto compuesto resultante, las cargas se transfieren de la vaina al pilote y, por tanto, al suelo. Un proceso de lechado sumergido requiere una gran competencia en el diseño, la planificación y la ejecución de los procesos. La temperatura moderada estable bajo el agua favorece el proceso de curado de la lechada sensible a la temperatura.
La acción de apoyo se basa en la desviación del momento de flexión de la torre hacia los pilotes, que básicamente solo se tiran o se empujan. Para ello se necesita una combinación de patas superiores e inferiores que generan la fuerza de palanca. Como alternativa, se puede utilizar una pala de succión en lugar del pilote. En comparación, el monopilote distribuye sus cargas estabilizándose lateralmente en el suelo.
Los nodos tubulares son el elemento de diseño característico en las estructuras reticulares, donde los tubos se cruzan entre sí. Es preferible que los tubos entrantes, los cabos, permanezcan en una determinada relación de diámetros (0,8) con respecto al tubo continuo, la cuerda, para lograr efectos de soporte de carga eficientes. Este efecto determina las relaciones dimensionales finales.
Los espesores de las placas en las cimentaciones offshore se adaptan bien a las situaciones de carga locales. Se puede lograr una utilización equilibrada del material mediante el diseño porque la dimensión de una cimentación offshore es grande en comparación con la dimensión de las placas laminadas en caliente . Los trípodes y los monopilotes son estructuras de carcasa . Su espesor de pared es relativamente pequeño en comparación con el diámetro. Por lo tanto, deben probarse en términos de pandeo de la carcasa . La torre, el tubo central y las patas están ensamblados a partir de secciones cilíndricas o cónicas, latas, con una longitud individual de 2 a 4 m. Los espesores de pared están en el rango de 40 a 60 mm en la columna central, algunas latas en áreas de alta tensión de hasta 90 mm. Los espesores de pared de las patas cónicas varían de 20 a 30 mm.
La vida útil es un requisito central del diseño. En la industria clásica del petróleo y el gas, ya se tenían en cuenta las cargas de las olas en alta mar . El funcionamiento de los aerogeneradores provoca además cargas dinámicas de funcionamiento elevadas. Esto se observó de forma impresionante en el proyecto Growian, un aerogenerador terrestre de dos palas de 3 MW que falló en 1983 por este motivo.
Los métodos FEM se utilizan principalmente para las evaluaciones. Sólo estas herramientas más amplias permiten reflejar las curvas de tensión en detalle y proporcionar la precisión que se requiere para el diseño. Los tiempos de cálculo se han reducido considerablemente mediante el modelado con scripts y el aumento de las velocidades de procesamiento, lo que aumentó las velocidades de iteración y, por lo tanto, mejoró los resultados de optimización. [5]
La cimentación Tripod para turbinas eólicas marinas representa una contribución notable al inicio de la utilización industrial de la energía eólica marina en aguas alemanas. Nació de la mano de pioneros alemanes de la energía eólica marina y amplió su potencial al sumar otros socios a un gran equipo multidisciplinario que hizo realidad la visión. El hecho de que hoy en día estén operativas 126 turbinas cimentadas sobre trípodes es el resultado de una colaboración duradera y fiable de una serie de partes interesadas.
En 2014 se realizó un estudio teórico para evaluar la viabilidad del concepto de cimentación para la próxima generación de turbinas de 8 MW y un diámetro de rotor superior a 160 m. Era esencial demostrar el aumento de peso limitado que supondría soportar cargas aún mayores y, por lo tanto, aprobar todos los procesos de fabricación e instalación existentes de los proyectos realizados anteriormente.
Hoy en día, el conocimiento adquirido en ingeniería offshore desde la década del Trípode es una especie de activo inmaterial que se puede poner en nuevos proyectos que utilicen conceptos de Monopile, Jacket o por qué no Trípode, explorando el estado del arte reciente para reducir el costo de la energía.
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