Estudio de las oportunidades tecnológicas que presentan las ERM para la industria

Estudio de las oportunidades

tecnológicas que presentan las

energías renovables marinas para la

industria

FUNDACIÓN ASTURIANA DE LA ENERGÍA CIF G 74000878

FRAY PAULINO, S/N. 33600 MIERES (ASTURIAS). TFNO: 985 467 180. FAX: 985 454 143. E-mail: [email protected]

1. RESUMEN EJECUTIVO ....................................................................... 8

2. INTRODUCCIÓN ENERGÍAS MARINAS ........................................... 11

2.1. Energía de las Olas ........................................................................................................... 11

2.2. Energía de las Corrientes ................................................................................................ 12

2.3. Eólica Offshore ................................................................................................................. 14

2.4. Otras fuentes de energía marina ..................................................................................... 16

2.4.1. Gradiente salino ................................................................................................................ 16

2.4.2. Gradiente térmico ............................................................................................................. 17

2.4.3. Solar Offshore .................................................................................................................... 19

2.4.4. Biocombustibles de algas .................................................................................................. 19

2.5. Technology Readiness Levels .......................................................................................... 20

3. CATÁLOGO DE TECNOLOGÍAS DE ENERGÍAS MARINAS ............ 23

3.1. Tipos de dispositivos de energía de las olas .................................................................... 23

3.1.1. Dispositivos más desarrollados......................................................................................... 29

3.2. Tipos de dispositivos de corrientes marinas ................................................................... 35

3.2.1. Turbina de eje horizontal ................................................................................................. 36

3.2.2. Turbina de eje vertical ...................................................................................................... 38

3.2.3. Hidrodeslizadores oscilantes ............................................................................................ 39

3.3. Soluciones tecnológicas en Eolica Offshore .................................................................... 40

3.3.1. Cimentaciones para eólica offshore fija .......................................................................... 41

3.3.2. Soluciones de eólica offshore flotante .............................................................................. 51

3.4. Evacuación eléctrica ......................................................................................................... 53

3.4.1. Configuraciones del Cluster ............................................................................................. 56

3.4.2. Arquitecturas de interconexión ........................................................................................ 58

3.4.3. Alternativas en la Evacuación .......................................................................................... 60

4. RETOS VINCULADOS A LAS ENERGÍAS MARINAS ....................... 62



3

4.1. Retos tecnológicos ............................................................................................................. 62

4.1.1. Retos tecnológicos globales ............................................................................................... 62

4.1.2. Retos de la Energía Eólica Offshore ................................................................................ 72

4.1.3. Retos de la Energía de Olas y Corrientes Marinas ......................................................... 82

4.1.4. Retos de las instalaciones de parques .............................................................................. 84

4.2. Retos no tecnológicos ....................................................................................................... 89

5. OPORTUNIDADES ............................................................................. 94

5.1. Productos y Servicios asociados a las Energías Marinas .............................................. 94

5.2. Principales Sectores implicados en las Energías Marinas ............................................ 97

5.3. Oportunidades de futuro basadas en la I+D ................................................................ 103

5.3.1. I+D en energía de las olas y corrientes marinas ........................................................... 104

5.3.2. I+D en eólica marina ....................................................................................................... 107

6. REFERENCIAS ................................................................................. 120

mailto:[email protected]



4

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1.Mapa mundial de energía de las olas [1] ................................................. 12

Figura 2.2 Mapa mundial de amplitud de marea [1]. ................................................. 13

Figura 2.3 Distribución mundial del recurso de gradiente salino [1] ...................... 17

Figura 2.4 Distribución del recurso energético de gradiente térmico ..................... 18

Figura 2.5 Mapa de radiación solar media anual ...................................................... 19

Figura 2.6 Niveles de TRL .......................................................................................... 21

Figura 2.7 Fases de desarrollo de un dispositivo de energías marinas asociadas a

los niveles de TRL ............................................................................................... 22

Figura 2.8 TRL de las diferentes energías marinas (Fuente DNV GL) ..................... 23

Figura 3.1 Clasificación de dispositivos según su ubicación ................................. 24

Figura 3.2 Clasificación de dispositivos según su principio de captación ............ 26

Figura 3.3 Clasificación de dispositivos según su tamaño y orientación .............. 28

Figura 3.4 Esquema del Power Buoy ........................................................................ 30

Figura 3.5 PowerBuoy. [2] .......................................................................................... 30

Figura 3.6 Pelamis [4] ................................................................................................. 31

Figura 3.7 Esquema de la PTO hidráulica de Pelamis .............................................. 31

Figura 3.8 Prototipo del Oyster instalado en el EMEC [5] ........................................ 32

Figura 3.9 Esquema de funcionamiento del Oyster ................................................. 33

Figura 3.10 Central generadora en EMEC ................................................................. 33

Figura 3.11 Prototipo de Fred Oldsen [9] .................................................................. 34

Figura 3.12 Esquema de la PTO de Fred Olsden ...................................................... 35




5

Figura 3.13 Clasificación de los dispositivos de corrientes marinas ...................... 36

Figura 3.14 Dispositivo de corrientes marinas de eje horizontal de Marine Current

Turbines Ltd. en Strangford Lough [6] ............................................................... 36

Figura 3.15 Figura 1.30. Turbina de eje horizontal de la empresa ANDRITZ Hydro

Hammerfest [7] ..................................................................................................... 37

Figura 3.16 Turbina de eje horizontal con conducto desarrollado por OpenHydro

[8] .......................................................................................................................... 38

Figura 3.17 Turbina EnCurrent de New Energy Corporation ................................... 39

Figura 3.18 Hodrodeslizador Pukse Stream .............................................................. 39

Figura 3.19 Relación coste-profundidad del mar para la elección del tipo de

cimentación (Fuente NREL) ................................................................................ 40

Figura 3.20 Subestructura de base de gravedad (Fuente: Garrad Hassan) ............ 42

Figura 3.21 Subestructura monopilote (Fuente Garrad Hassan) ............................. 43

Figura 3.22 Modo de instalación de la pieza de transición (Fuente: www.dnv.com)

.............................................................................................................................. 45

Figura 3.23 Subestructura tipo cámara de succión (Fuente: www.lorc.dk) ........... 47

Figura 3.24 Subestructura trípode (Fuente: Garrad Hassan) .................................. 48

Figura 3.25 Subestructura jacket (Fuente: Garrad Hassan) ..................................... 49

Figura 3.26 Hywind ..................................................................................................... 52

Figura 3.27 WindFloat ................................................................................................. 53

Figura 3.28 Ejemplo de posibles configuraciones de parque.................................. 54

Figura 3.29 Factores que influyen en la configuración de parque. ......................... 55

Figura 3.30 Principales tipos de conexión en parques de energías marinas. ........ 57

Figura 3.31 Topologías de interconexión. ................................................................. 59




6

Figura 3.32 Comparativa de costes de inversión. .................................................... 61

Figura 5.1. Relación de sectores con productos/servicios en energía marina

(1.Fabricación prototipo/estructura; 2.Fundaciones y Fondeo;

3.Mantenimiento; 4.Logística; 5.Información de recurso marino; 6.Diseño de

dispositivos/parques) ........................................................................................ 103

Figura 5.2 Innovaciones relevantes para reducción de costes en eólica offshore

[21] ...................................................................................................................... 108

Figura 5.3 Esquema de un sistema HVDC LCC de conexión de un parque eólico

marino a una red en tierra [2] ............................................................................ 111

Figura 5.4 Esquema del prototipo IDEOL [24] ....................................................... 113

Figura 5.5 Esquema del prototipo NAUTILUS [25] ................................................. 113

Figura 5.6 Esquema del prototipo HiprWind [26] ................................................... 114

Figura 5.7 Esquema del prototipo de la TLP Iberdrola [27] ................................... 115

Figura 5.8 Esquema del prototipo GICON [28] ........................................................ 115

Figura 5.9 Esquema del prototipo VertiWind [29] ................................................... 116

Figura 5.10 Esquema del concepto Hexicon [30] ................................................... 117

Figura 5.11 Esquema del concepto TROPOS [31] .................................................. 118

Figura 5.12 Casos de estudio de MERMAID [32] .................................................... 118

Figura 5.13 Esquema del concepto H2OCEAN [33] ................................................ 119




7

INDICE DE TABLAS

Tabla 3.1 Valores típicos de tensión para parques de energía marina. .................. 56

Tabla 3.2 Comparativa de alternativas de conexión. ................................................ 60

Tabla 4.1: Retos tecnológicos transversales. Fuente: ETI Roadmap [12] .............. 66

Tabla 5.1. Cadena de suministro en el sector de energía marina [17] .................... 95

Tabla 5.2 Coste actual y potencial de ahorro por innovación según diferentes

áreas [20] ............................................................................................................ 106




8

1. RESUMEN EJECUTIVO

Existe cada vez más una conciencia global acerca de la necesidad de aumentar la

producción de energía sostenible frente a las tradicionales fuentes basadas

principalmente en combustibles fósiles. Los objetivos marcados por la Unión Europea

hacen que cada vez más países europeos se estén involucrando en el desarrollando de

nuevas formas de energía renovable. En este contexto, el océano es una gran fuente de

energía sostenible cuya explotación apenas ha comenzado a desarrollarse, y que va

desde la eólica marina hasta el uso de corrientes marinas y olas entre otras.

A escala global ha habido varios esfuerzos para desarrollar dispositivos que conviertan

la energía marina en electricidad, si bien instalar estos dispositivos en el agua presenta

aún desafíos importantes con respecto a la fiabilidad y rentabilidad de los mismos.

En el sector de la energía de corrientes marinas se ha presentado un número de

prototipos basados en su mayoría en turbinas, mientras que en el sector de energía de

las olas existe aún una gran variedad de diseños, y en este momento no está claro si se

llegará a un consenso de diseño en el futuro como ha sucedido con los dispositivos de

correines marinas. Todas las tecnologías presentadas tanto para la energía de las olas

como corrientes marinas están en desarrollo y han sido implementadas sólo a nivel de

prototipos. Con diferentes tecnologías en distintas etapas de desarrollo, algunas están

experimentando significativas reducciones en sus costes, lo que representa una señal

alentadora para el mercado.

Por otro lado, si bien el coste de la energía eólica marina es superior que en tierra

debido a los costes adicionales propios de su instalación y operación en las condiciones

adversas del medio marino, la eólica marina presenta unas perspectivas de crecimiento

muy prometedoras debido fundamentalmente a que presenta ventajas frente a la de

tierra tales como un mayor recurso, vientos más constantes y menos turbulentos, así

como la posibilidad de encontrar más emplazamientos y más lejos de la población.

Según previsiones de la EWEA (European Wind Energy Association) se espera que solo

en Europa haya en 2020 unos 15.000 aerogeneradores marinos para llegar a una

potencia de 40GW. Asimismo, existen algunos prototipos instalados basados en

estructuras flotantes, tales como Hywind o WindFloat, que muestran ya la viabilidad de

la explotación de la energía eólica en aguas profundas.




9

Existe por otro lado una serie de desafíos globales que enfrenta el sector de la energía

marina que han de ser asumidos por cualquier desarrollo tecnológico, de manera que

los dispositivos de energía marina puedan ir más allá de la demostración y entren en

una fase de explotación comercial sostenida. Esto redundará en beneficio no sólo de los

desarrolladores de determinadas tecnologías específicas relacionadas, sino también de

un espectro más amplio de toda la cadena de suministro.

Los retos se centran principalmente en mejorar aspectos tales como la previsibilidad del

recurso o la fabricabilidad, instalabilidad, operabilidad y fiabilidad del dispositivo, y se

centran en aspectos tecnológicos transversales tales como el diseño del captador y su

estructura, las fundaciones y fondeos, el sistema de conversión de energía, la

monitorización y control del captador, su conexión a red y evacuación eléctrica a tierra o

la resistencia a la corrosión marina, así como los retos propios del despliegue de

parques eólicos. En cualquier caso el reto fundamental para las tecnologías de energía

marina es la reducción del coste de la energía obtenida. Por otro lado existen también

barreras no tecnológicas que pueden retrasar el desarrollo de la tecnología y del

mercado asociado, tales como conflictos de uso del espacio marítimo, financiación,

impactos ambientales, o barreras administrativas y legales que aún existen.

Con todo, actualmente el sector de la energía marina, y en particular la eólica, está

creciendo rápidamente y con ella está surgiendo ya un considerable mercado para

diferentes sectores industriales de productos y servicios. Son numerosos los sectores

industriales que en mayor o menor medida pueden participar en el emergente mercado

de la energía marina, tales como el Naval, Eólico, Gas y Petróleo, Transporte y

Logística marítima, Aeronáutico, Construcción, Minería, Siderurgia, así como fabricantes

de componentes eléctricos/electrónicos, sistemas mecánicos, proveedores de sistemas

de monitorización y control o Ingenierías y centros de I+D+i. Algunos de ellos se deben

aún desarrollar en ciertos aspectos propios de la energía marina y adquirir expertos con

una formación específica, para ser capaces de proveer a esta nueva industria con un

suministro apropiado.

Debido a que el negocio de la energía marina no ha alcanzado aún su madurez

comercial, hay un complejo espectro de cuestiones técnicas y contractuales a

considerar. Esta complejidad aumentará a medida que las instalaciones se construyen

más lejos de la costa, lo que presenta tanto desafíos como oportunidades para

contratistas ya establecidos y para nuevas empresas que puedan establecerse en el




10

sector, por lo que se requerirá innovación y flexibilidad comercial para el éxito en este

mercado cambiante. Las PYMEs son especialmente adecuadas para aprovechar las

oportunidades que requieren presencia local, flexibilidad comercial y técnica, así como

soluciones especializadas e innovadores. Serán aquellas empresas que se involucren

activamente ahora las que ayuden a dar forma al futuro de este nuevo mercado.

Por otro lado, la investigación, el desarrollo y la innovación tecnológica pueden ser las

principales herramientas para contribuir a reducir el coste de la energía generada por

dispositivos y parques marinos, debiéndose hacer la búsqueda de nuevas soluciones

tecnológicas sobre toda la cadena de valor. Existen numerosas iniciativas de I+D+i en

marcha centradas en aspectos clave de aerogeneradores, tecnología para eólica a

mayores profundidades, nuevos medios de instalación, operación y mantenimiento,

mejores instalaciones eléctricas con reducción de pérdidas, sistemas HVDC para

evacuación, soluciones basadas en nanotecnología para recubrimientos en entorno

marino, etc. Todo ello permite además vislumbrar posibles oportunidades de negocio

para nuevos actores en un futuro no muy lejano.

Finalmente cabe decir que aunque existe aún incertidumbre en relación al coste de la

electricidad producida a partir de la energía marina, se considera que el potencial de

reducción de los costes actuales es elevado y los beneficios socio-económicos que

podría generar esta forma de energía son muy significativos. Se espera que en el corto

plazo el coste de los dispositivos marinos disminuya significativamente, de manera que

la energía marina pueda convertirse en competitiva con relación a otras formas de

energía a medio plazo. Existe por tanto una gran oportunidad para crear las condiciones

que permitan la explotación de la energía marina en el futuro.




11

2. INTRODUCCIÓN ENERGÍAS MARINAS

La necesidad de aumentar la producción de energías limpias y sostenibles en el futuro

próximo ha originado la búsqueda de alternativas a los combustibles fósiles, mediante

fuentes de energías renovables como pueden ser la hidroeléctrica, solar o eólica. Los

objetivos marcados por la Unión Europea, el 20-20-20 (reducción de las emisiones un

20% con una generación primaria basada en renovables del 20% para el año 2020)

hacen que muchos países de Europa estén desarrollando nuevas formas de energía

renovable que ayuden a cumplir con esos objetivos.

El océano es una gran fuente de energía, y esta energía puede ser explotada desde

diferencias de altura en mareas, corrientes marinas u olas. Este informe enfoca su

exclusiva atención en la generación de energía utilizando la energía eólica marina, la

energía de las olas (undimotriz) y la energía de las corrientes marinas.

A escala global ha habido varios esfuerzos aislados para desarrollar dispositivos que

conviertan la energía de las olas y corrientes marinas mareas en electricidad. Sin

embargo, el sector ha sido un foco importante, particularmente en Europa, en los

últimos años y una cierta cantidad de tecnologías ha avanzado a una segunda

generación de dispositivos. Mientras el sector se desarrolla hay varios desafíos que

afrontar y el principal mensaje de los desarrollos en la última década es que instalar

dispositivos en el agua es caro y que existen desafíos importantes con respecto a la

confiabilidad y mantención de los mismos.

2.1. ENERGÍA DE LAS OLAS

La energía de las olas se caracteriza por su alta densidad y capacidad de predicción,

muy superiores a las de otras energías renovables existentes actualmente. Pero

también cabe destacar las grandes dificultades que existen para extraer dicha energía,

ya que el mar es un medio adverso en sí mismo.

En la actualidad el aprovechamiento de la energía de las olas es mínimo, con una

potencia instalada reducida a varias plantas piloto situadas en unos pocos países

Existen varios estudios y evaluaciones sobre el potencial disponible alrededor del

mundo para la producción de energía mediante olas y corrientes marinas. Las fuentes

de estos estudios son muy variadas (incluyendo la NASA (2006), Joao Cruz (2008),




12

AVISO (2000)), pero a una escala global sus evaluaciones muestran que existe un

enorme potencial de energía marina a ser desarrollado.

La Figura 2.1 y la Figura 2.2 muestran mapas mundiales para energía de las olas y

corrientes marinas respectivamente. Estos mapas fueron publicados por Ocean Energy

Systems (2011) [1] con datos de fuentes externas.

Analizando el potencial de la energía de las olas se puede concluir que es un recurso

abundante y distribuido. Las zonas de mayor recurso se encuentran en las latitudes

entre 40‐60º en ambos hemisferio, con un recurso mayor en las costas oestes, con

menos variaciones anuales en el hemisferio sur que en el norte. Los climas más

energéticos se encuentran lejos de la costa en mares profundos, aunque son también

los más difíciles de explotar por los costes de mantenimiento (derivados, entre otras

causas, por la dificultad de acceso) y de la infraestructura eléctrica utilizada para

conectar los convertidores con la red de tierra.

La Figura 2.1 muestra el promedio anual de energía de las olas kW/m. Este valor indica

la energía distribuida en un frente de ola. El potencial mundial de energía de las olas se

estima en 29.500 TWh/año (OES, 2011).

Figura 2.1.Mapa mundial de energía de las olas [1]

2.2. ENERGÍA DE LAS CORRIENTES

Otro recurso energético importante de los océanos reside en la energía cinética

contenida en las corrientes marinas. Su origen está ligado, entre otras causas, a




13

diferencias de temperatura o de salinidad, a las que se añade la influencia de las

mareas. Cuando el origen de las corrientes marinas de las que se extrae energía son

las mareas, se llama energía maremotriz. En el resto de los casos, se denomina

comúnmente energía de las corrientes marinas. Desde un punto de vista tecnológico, el

principio de captación es el mismo, por lo que al hablar de dispositivos de captación de

energía de las corrientes marinas no se tiene en cuanta cual es el origen de estas.

El proceso de captación se basa en convertidores de energía cinética de las corrientes

marinas similares a los aerogeneradores. Los dispositivos de corrientes marinas se

sitúan cerca de la costa por lo que tiene como inconveniente principal el impacto para la

navegación, ya que las mejores corrientes se encuentran en zonas ubicadas

principalmente en estrechos o desembocaduras de ríos con gran tránsito marino. El

recurso, a diferencia de la energía de las olas, está muy concentrado (cerca de la costa,

en estrechos…).

En la Figura 2.2 se muestra un mapa global de la amplitud de mareas, donde se podría

aprovechar la energía de las corrientes marinas. El potencial mundial teórico para la

energía de las mareas, tanto para amplitud como para corrientes de marea, se estima

en alrededor 7.800 TWh/año [1], que es aproximadamente la cuarta parte del potencial

de la energía de las olas.

Figura 2.2 Mapa mundial de amplitud de marea [1].




14

2.3. EÓLICA OFFSHORE

El recurso eólico en el mar es mayor que en tierra y con menos turbulencias por lo que

los aerogeneradores marinos generan habitualmente más energía que los situados en

tierra. Sin embargo, el coste de esta energía en parques offshore es superior que en

tierra ya que los costes de algunos componentes, su instalación y operación son

mayores debido a las propias condiciones adversas del medio marino. Aun así, la eólica

marina presenta unas perspectivas de crecimiento muy prometedoras debido

fundamentalmente a que abre una gran oportunidad de encontrar nuevos

emplazamientos alejados de la población.

La energía eólica ha demostrado que puede llegar a ser una fuente renovable

competitiva con el desarrollo que ha tenido en tierra en los últimos años. La instalación

de aerogeneradores en el mar empieza a surgir como una opción viable ya que plantea

algunas oportunidades en comparación con las ubicaciones en tierra:

• Mayor recurso: 25 - 30% de factor de carga en tierra frente a 40-45% en

mar

• Vientos más constantes y con menos turbulencias.

• Posibilidad de encontrar más emplazamientos

Figura 2.3 Recurso eólico mundial: la escala de velocidad de viento en el mar es

superior que en tierra.




15

Según datos de GWEC (Global Wind Energy Council) a finales de 2012 había en el

mundo una potencia eólica marina de 5,4 GW estando más del 70% instalada en

Europa (fundamentalmente Reino Unido y Dinamarca) con un mercado emergente en

China. Con una potencia media de unos 3MW por máquina esto supone que a finales

de 2012 había unos 1800 aerogeneradores instalados en el mundo.

Según previsiones de la EWEA (European Wind Energy Association) se espera que solo

en Europa haya en 2020 unos 15.000 aerogeneradores para llegar a una potencia de

40GW. Estas cifras suponen instalar unos 4 aerogeneradores al día en Europa en los

próximos años. Las previsiones de EWEA son algo más conservadoras que lo que

suma todos los proyectos en marcha o anunciados ya que estos proyectos en Europa

suman 85GW de potencia instalada. Las previsiones de EWEA consideran que un gran

número de estos proyectos van a retrasarse y entran en funcionamiento más allá de

2020.

Figura 2.4 Evolución prevista (potencia y número de aerogeneradores) en Europa para

2020. Fuente EWEA

La mayoría de los parques eólicos marinos se encuentran en los mares del Norte y

Báltico, en lugares en donde la profundidad varía entre los 10 y 30 metros, y donde el

tipo de cimentaciones instalables están fijas al fondo marino.




16

Más allá de 2020 las perspectivas para la eólica marina siguen siendo positivas: según

estimaciones de la EWEA el crecimiento medio a partir de 2020 se espera que sea del

15% anual, mientras que la eólica en tierra crecería a un ritmo del 5%.

A nivel mundial las previsiones también son de crecimiento: para 2025 se espera que la

potencia instalada sea de 100 GW con un claro dominio Europeo que mantendría una

cuota superior al 70%. En términos económicos este crecimiento se traduce en que la

inversión en eólica offshore casi se multiplica por 10 entre 2011 y 2025.

Según estimaciones propias a partir de información de EWEA y de GWEC, el

crecimiento de la eólica offshore puede llevar a cifras de inversión acumulada que

superen el billón de Euros en Europa en 2050 y casi lleguen a los 3 billones en todo el

mundo. La siguiente tabla muestra las previsiones de potencia instalada para Europa

(fuente EWEA) y el mundo (fuente GWEC) y el cálculo de inversión considerando que el

coste del MW instalado baja de 4,5 millones de Euros en 2020 a 2,5 millones de Euros

en 2050.

2.4. OTRAS FUENTES DE ENERGÍA MARINA

A continuación se hace un breve repaso de otras formas de energía marina que, si bien

presentan en la actualidad un estado menor de desarrollo tecnológico o mayores

dificultades técnicas de extracción, tienen también un potencial energético considerable

[2]

2.4.1. GRADIENTE SALINO

El principio de la energía basada en el gradiente de salinidad, o energía osmótica, es

que hay una diferencia de energía interna entre el agua salada y el agua dulce, que

puede ser explotada por conversión a otra forma de energía. La salinidad del agua dulce

es menos de 0,5 ppt, mientras que la salinidad del agua de mar está en el intervalo de

30-50 ppt. Es posible aprovechar el potencial químico entre la mezcla de agua dulce y

salada a través de una membrana semipermeable. La tecnología para explotar el

gradiente de salinidad en los océanos hace uso de estas diferencias en la presión

osmótica entre las aguas de diferente salinidad. Esta característica puede ser explotada

en los estuarios donde el agua dulce se encuentra con el agua salada, por lo que

aquellas zonas en las que existe vertido de agua dulce hacia las cuencas oceánicas

presentan por tanto un potencial para esta forma de energía del océano.




17

La Figura 2.3 muestra los diferentes niveles de salinidad de la superficie del mar.

Recientemente, el potencial técnico de aprovechamiento de este recurso para la

generación de energía se ha estimado en 1.650 TWh / año en todo el mundo. En

Europa, este recurso se estima en 180 TWh / año.

Figura 2.3 Distribución mundial del recurso de gradiente salino [1]

Hay varios conceptos que se han propuesto basados en el uso de membranas

semipermeables. Un sistema de presión de ósmosis retardada, en el que la presión

inducida por el flujo de agua a través de la membrana (permeable al agua y no a la sal)

permite impulsar las turbinas. Por otro lado está la electrodiálisis inversa, donde la

diferencia de potencial químico entre ambas soluciones es la fuerza motriz del proceso.

Ambos procesos utilizan membranas específicas, si bien existe mayor experiencia en el

primero de ellos debido a su uso común en las plantas de desalinización.

2.4.2. GRADIENTE TÉRMICO

El uso de la energía térmica del océano para la producción de electricidad se sirve de

las diferencias de temperatura de al menos 20°C entre el agua caliente de la superficie

y el agua fría de las profundidades del océano, lo que tiende a ser relativamente

constante, alrededor de 4°C. Las mayores diferencias en la temperatura, y por lo tanto

el mejor recurso para convertir la energía térmica de los océanos, están generalmente

en la zona de los trópicos, puesto que en las latitudes tropicales, la temperatura de las

aguas superficiales del océano es de alrededor de 27 a 29 °C.




18

La energía térmica del océano es una fuente de energía disponible de forma continua,

con sólo una ligera variación entre el verano y el invierno. El potencial de este recurso

se considera que es potencialmente mayor que otras formas de energía del océano. Se

han realizado estimaciones que apuntan a un potencial teórico mundial de la orden de

30 a 90 PWh/año, y el potencial global teórico de la conversión de energía térmica

oceánica se estima conservadoramente en unos 44 PWh/año. La Figura 2.4 muestra la

diferencia de temperatura entre el agua entre 20 y 1.000 metros de profundidad. En

Europa, sólo los territorios de ultramar situados en regiones tropicales tienen el

potencial para explotar este recurso.

Figura 2.4 Distribución del recurso energético de gradiente térmico

Esta fuente de energía es conocida por el acrónimo OTEC (Océano Thermal Energy

Conversion). Hay dos tipos principales de tecnología asociada, el sistema de circuito

cerrado (ciclo Rankine) y el sistema de bucle abierto, pudiéndose usar también un tercer

sistema híbrido de ambos.

En el sistema de circuito cerrado, el agua caliente de la superficie del mar se utiliza para

calentar y vaporizar un líquido, por lo general de bajo punto de ebullición tal como

amoníaco. Este vapor de alta presión impulsa una turbina conectada a un generador

eléctrico. El vapor de agua se enfría por el agua bombeada desde el fondo del océano y

se condensa.

El sistema de ciclo abierto utiliza el agua de la superficie del océano, que se evapora en

una cámara de vacío debido al cambio de presión. El vapor se condensa luego con el

agua más fría bombeada desde el fondo del océano. Esta vaporización y condensación




19

constante se utiliza para mover una turbina. Como un producto adicional, se puede

conseguir agua desalada en este proceso.

2.4.3. SOLAR OFFSHORE

El recurso solar en alta mar es muy similar al recurso solar en tierra. En la Figura 2.5 se

puede observar el mapa global de la radiación solar, donde puede verse que las áreas

de mayor incidencia de radiación se encuentran cerca del ecuador y por lo general en

zonas marinas. El hecho de que las áreas de mayor incidencia estén en alta mar es un

indicador de la importancia que esta fuente de energía marina puede tener en el futuro.

Figura 2.5 Mapa de radiación solar media anual

2.4.4. BIOCOMBUSTIBLES DE ALGAS

Esta fuente de energía marina está asociada a la biomasa existente en las algas,

recurso que está correlacionado con la distribución de energía solar mundial.

Las macroalgas se obtienen a partir de hábitats naturales y cultivos cerca de la costa,

mientras que las microalgas son mayoritariamente obtenidas en producciones

artificiales, esta última es la rama más reciente de la biotecnología de las algas. La

biotecnología de microalgas está estrechamente relacionada con el uso, la producción y

la aplicación tradicionalmente de las macroalgas, y se presentan como una importante

fuente de biocombustible a nivel industrial en el futuro.

Las microalgas se consideran biomasa de tercera generación, son fáciles de cultivar,

crecen con poca o ninguna atención por parte del productor y permiten el uso de agua




20

no apta para el uso humano. Tienen un elevado potencial para producir biomasa y

lípidos por hectárea, y pueden ser cultivas fotosintéticamente utilizando la radiación

solar como energía y el CO2 como fuente de carbono. Destacan por su crecimiento

exponencial y puede duplicar su población en 3,5 horas, ofreciendo posibilidad de

producción durante todo el año.

El aprovechamiento de las microalgas consiste básicamente en la transformación de la

biomasa resultante de éstas en biocombustible. Para la producción es necesaria

energía de la luz, CO2 y otros nutrientes inorgánicos, tales como fósforo, nitrógeno y

silicio. Así, podemos inferir que los países con niveles más altos de radiación solar

presentan mayor potencial en esta forma de energía. Los países con climas templados,

tales como los países mediterráneos donde las temperaturas rara vez descienden de

15˚C, están por tanto entre los que presentan un alto potencial para el desarrollo de

microalgas. Una alternativa para hacer frente a esta limitación es el uso de luz artificial,

que permite una producción continua, pero aumenta significativamente el coste de la

producción y la huella de carbono de la tecnología.

2.5. TECHNOLOGY READINESS LEVELS

En los últimos años ha habido un cambio en el sector de energía marina con la

utilización de Technology Readiness Levels (TRLs), un sistema estandarizado para

definir el nivel de madurez tecnológico.

Existen varias definiciones de niveles de niveles de TRL, pero para las energías marinas

la clasificación más frecuente es la mostrada a continuación.




21

Applied and strategic research

TRL 1 Basic principles observed and reported

TRL 2 Technology concept and/or application formulated

TRL 3 Analytical and experimental critical function and/or characteristic proof of

concept

TRL 4 Component and/or partial system validation in a laboratory environment

TRL 5 Component and/or partial system validation in a relevant environment

TRL 6 System/subsystem model validation in a relevant environment

System validation

TRL 7 System prototype demonstration in an operational environment

TRL 8 Actual system completed and service qualified through test and

demonstration

TRL 9 Actual system proven through successful mission operation

Figura 2.6 Niveles de TRL

A la hora de planificar un proyecto de desarrollo de un dispositivo de energías marinas,

los 9 niveles de TRL se pueden asociar a varias fases del proyecto.




22

Figura 2.7 Fases de desarrollo de un dispositivo de energías marinas asociadas a los

niveles de TRL

En al siguiente figura se puede observar el estado a nivel de TRL de las diferentes

energías marinas, excepto la eólica offshore, donde puede apreciarse cuáles de las

tecnologías oceánicas se consideran más cercanas a su fase de explotación comercial.

Existen prototipos de energía undimotriz que han sido ya demostrados en entornos

reales, así como prototipos de aprovechamiento de la energía potencial producida por

las mareas (tidal range) que están ya en funcionamiento.




23

Figura 2.8 TRL de las diferentes energías marinas (Fuente DNV GL)

3. CATÁLOGO DE TECNOLOGÍAS DE ENERGÍAS MARINAS

Existe una cierta cantidad de conceptos de ingeniería para aprovechar las energías

marinas. La energía de las olas tiene una gran variedad de sistemas de extracción,

entre otros sistemas de columnas de aguas oscilantes, aparatos que usan el desborde

de agua, absorbedores puntuales, terminadores, atenuadores y estructuras flexibles. La

energía de las corrientes marinas exhibe menos variedad, con un número de prototipos

diseñados basados en turbinas de eje horizontal, pero también se desarrollan rotores de

eje vertical, hidrodeslizadores oscilantes y aparatos de efecto Venturi. La eólica offshore

se basa principalmente en aerogeneradores sobre cimentaciones en el fondo marino.

La siguiente sección proporcionará una visión general y una explicación de la operación

de los distintos tipos de conceptos de dispositivos de energía de las olas, de corrientes

marinas y eólica offshore, junto con ejemplos de dispositivos que están en una fase

avanzada de desarrollo.

3.1. TIPOS DE DISPOSITIVOS DE ENERGÍA DE LAS OLAS

Dentro del sector de energía de las olas existe una gran variedad de diseños, y en este

momento no está claro si se llegará a un consenso de diseño en el futuro, como ha




24

sucedido con los dispositivos mareomotrices, por lo que resulta imposible realizar una

clasificación unívoca que permita identificar todas las características que definen los

dispositivos.

Por este motivo, existen distintos criterios de clasificación, siendo los más comunes los

que clasifican los dispositivos en función de su ubicación respecto de la costa, principio

de captación y tamaño-orientación.

Clasificación según su ubicación.

Se trata del criterio de clasificación adoptado en el proyecto europeo Wavenet. Clasifica

los dispositivos principalmente en función de su distancia a costa, como se puede

apreciar en la siguiente figura.

1

2

3

4

5

1

23

4

5

3ª Generación 2ª Generación 1ª Generación

Onshore, apoyado

Nearshore, apoyado

Nearshore, flotante

Offshore, sumergido

Offshore, flotante

1

2

3

4

5

1

23

4

5

1

23

4

5

3ª Generación 2ª Generación 1ª Generación

Onshore, apoyado

Nearshore, apoyado

Nearshore, flotante

Offshore, sumergido

Offshore, flotante

Figura 3.1 Clasificación de dispositivos según su ubicación

Dispositivos en costa u onshore

Se trata de dispositivos apoyados sobre el fondo en aguas poco profundas, integrados

en estructuras fijas como diques rompeolas o acantilados rocosos.

Los dispositivos onshore presentan unas ventajas importantes en términos de facilidad

de instalación inexistencia de amarres, bajos costes de mantenimiento, mayor

supervivencia y menor distancia a tierra para el transporte e integración de energía

producida. Sin embargo, su desarrollo está limitado por el reducido número de

ubicaciones potenciales, menor nivel energético y su impacto medioambiental y visual.

Dispositivos cercanos a la costa o nearshore




25

Se trata de dispositivos ubicados en aguas poco profundas (10-40 m) y distanciados de

la costa entre unos cientos de metros y unos pocos kilómetros. Estas profundidades

moderadas son apropiadas para dispositivos de gran tamaño apoyados por gravedad

sobre el fondo o flotantes.

La elección de una ubicación nearshore se realiza en primera instancia para superar los

problemas asociados a los dispositivos en costa y evitar la necesidad de sistemas de

amarre costosos. Los convertidores con una estructura fija al fondo pueden aprovechar

el movimiento de la ola al completo, un aspecto que no es posible en los dispositivos

flotantes.

Los dispositivos nearshore representan un compromiso interesante. Sus mayores

problemas consisten en las cargas extremas que las olas ejercen en una gran estructura

fija al fondo y su elevado coste unitario.

Dispositivos fuera de costa u offshore

Se trata de dispositivos flotantes o sumergidos ubicados en aguas profundas (50-100m).

Son el tipo de convertidores más prometedor, ya que explotan el vasto potencial

energético que se encuentra en alta mar.

Hasta el momento su desarrollo se ha visto perjudicado y retrasado puesto que hacían

uso de tecnologías poco fiables o de alto coste. En primer lugar, se necesita una alta

fiabilidad a fin de evitar unos costes de mantenimiento prohibitivos. Por otra parte,

debido a la extrema crudeza del medio marino, la supervivencia representa un aspecto

clave para este tipo de dispositivos, y en especial para los dispositivos flotantes.

Además, se deben diseñar cuidadosamente los sistemas de anclaje para asegurar la

posición del convertidor y evitar su vuelco, y para resistir los esfuerzos originados por el

sistema de absorción de la energía ya que en muchos casos constituyen la referencia

fija para éste. Finalmente, Los cables submarinos, necesarios para la transmisión de la

energía eléctrica hasta tierra, son susceptibles de pérdidas importantes.

Por lo tanto, la explotación de la energía de las olas offshore de modo rentable requiere

de plantas con potencias instaladas de decenas de MW y formadas por un conjunto de

unidades en línea. Estas plantas multi-dispositivo pueden llegar a ocupar superficies

extensas (de varios km2) y en consecuencia pueden llegar a interferir seriamente con la

navegación o la pesca.




26

Clasificación según el principio de captación

a) Columna de agua oscilante (OWC) b) Efecto Arquímedes

c) Cuerpo boyante con movimiento absoluto d) Cuerpo boyante con movimiento relativo

e) Rebosamiento f) Impacto

Turbina

Turbina




Turbina

Turbina




Turbina

Turbina

Figura 3.2 Clasificación de dispositivos según su principio de captación

Diferencias de presión en un fluido

Son dispositivos basados en el aprovechamiento de la diferencia de presión creada por

el oleaje en un fluido, normalmente aire, que opera como medio de transferencia. Cabe

destacar dos tipos principales:

• Columna de agua oscilante (Oscillating Water Column – OWC). Consiste en una

cámara semisumergida que está abierta por la parte inferior de forma que el

movimiento alternativo de las olas hace subir y bajar el nivel de agua en la misma,

desplazando el volumen de aire interno. Cuando la ola incide, el aire se comprime

dentro de la cámara y sale al exterior a través de una turbina. Del mismo modo,

cuando la ola se retira, el aire fluye hacia el interior de la cámara accionando

nuevamente la turbina, que tiene un diseño especial para hacerla girar en el mismo

sentido con un flujo bidireccional También existe la posibilidad de utilizar turbinas

unidireccionales en las que el sentido de giro variaría en función de si el aire entre o

sale.




27

• Efecto Arquímedes. Se basa en la fluctuación de la presión estática originada por

la oscilación del nivel del agua al paso de la ola. Básicamente se trata de una

cámara de aire cerrada que puede variar su volumen en función de la presión a la

que es sometida. La parte inferior de la cámara se fija al fondo, mientras que la

superior puede desplazarse verticalmente. El aire de la cámara se comporta como

un muelle cuya rigidez puede modificarse bombeando aire hacia el interior o

exterior de la misma (cambiando así el volumen de la cámara).

Cuerpos flotantes activados por las olas

Se trata de dispositivos constituidos por un cuerpo flotante que se mueve por la acción

de las olas. El movimiento oscilatorio que se aprovecha puede ser vertical (tipo boya),

horizontal, entorno a un eje (cabeceo) o una combinación de los anteriores.

Por otra parte, este movimiento inducido por las olas puede ser bien un movimiento

absoluto entre el cuerpo flotante y una referencia fija externa (anclaje al fondo o lastre) o

bien movimiento relativo entre dos o más cuerpos.

Hasta la fecha se han propuesto varias posibilidades: cuerpos flotantes articulados,

cuerpos flotantes unidos a plataformas flotantes estables y cuerpos flotantes con masa

inercial interna (i.e. péndulo.

Sistemas de rebosamiento y/o impacto

Son dispositivos en los que las olas inciden en una estructura, con lo que se consigue

aumentar su energía potencial, su energía cinética o ambas. Los sistemas de

rebosamiento fuerzan a que el agua pase por encima de la estructura mientras que en

los de impacto las olas inciden en una estructura articulada o flexible que actúa de

medio de transferencia.

Se conocen sistemas de rebosamiento onshore y offshore. Los primeros no son muy

frecuentes ya que requieren la conjunción de una serie de características naturales en el

emplazamiento y un coste de la obra civil es elevado. Un sistema de rebosamiento

puede incluir o no un depósito que almacene agua. Los dispositivos que acumulan agua

en un depósito en altura utilizan algún tipo de concentrador (canal en cuña o parábola)

para incrementar la altura de las olas.




28

Por su parte, los sistemas de impacto suelen utilizar una pala articulada o una bolsa

flexible como medio de transferencia. Existen dispositivos tanto nearshore como

offshore.

Clasificación según tamaño y orientación

Direcciónde la ola

Frente de ola

ABSORBEDORESPUNTUALES

ATENUADOR

TERMINADOR OTOTALIZADOR

Direcciónde la ola

Frente de ola

ABSORBEDORESPUNTUALES

ATENUADOR

TERMINADOR OTOTALIZADOR

Figura 3.3 Clasificación de dispositivos según su tamaño y orientación

Absorbedores puntuales

Se trata de estructuras pequeñas en comparación con la longitud de la ola incidente.

Suelen ser cilíndricas (simetría axial) y, por tanto, independientes de la dirección de la

ola. Generalmente se colocan varios absorbedores puntuales agrupados formando una

línea o array. Un aspecto característico de los absorbedores puntuales es su capacidad

de concentrar la energía sobre sí mismos. Es decir, un dispositivo de este tipo puede

captar energía de un ancho de ola mayor que el propio ancho que ellos oponen. Los

absorbedores puntuales suelen basarse en sistemas tipo boya.

Terminadores o totalizadores

Se trata de dispositivos alargados situados perpendicularmente a la dirección del

avance de la ola y que pretenden captar la energía de una sola vez. Un dispositivo ideal

de este tipo no reflejaría ninguna energía, aprovechando el 100% de la misma.

Su anchura eficaz de captación es igual a su longitud. En la práctica, los terminadores

tienen una longitud finita y por lo tanto, cuanto más cortos sean más se comportarán

como un absorbedor puntual.

Atenuadores




29

También se denominan absorbedores lineales. Consisten en estructuras alargadas,

colocadas en paralelo a la dirección de avance de las olas, de forma que van

extrayendo energía de modo progresivo y direccional.

En los dispositivos atenuadores el ancho eficaz de captación se amplifica

considerablemente ya que, debido a su geometría, extraen la energía de la ola

progresivamente. Además están menos expuestos a daños y requieren menores

esfuerzos de anclaje que los terminadores, ya que las fuerzas se compensan a ambos

lados de la estructura, siendo capaces de captar energía por ambos lados de la misma.

3.1.1. DISPOSITIVOS MÁS DESARROLLADOS

Existen numerosos dispositivos para el aprovechamiento de la energía de las olas.

Actualmente la Agencia Internacional de la Energía tiene contabilizados más de 70

dispositivos de aprovechamiento en diferentes fases de desarrollo, de los que más de

40 están en fase de ensayos en mar o más desarrollados.

En este apartado se describen algunos de los dispositivos con un mayor grado de

desarrollo.

Power Buoy

La empresa estadounidense Ocean Power Technologies, constituida hace más de 20

años, ha desarrollado un equipo offshore basado en una boya flotante llamada

PowerBuoy. El sistema, es un absorbedor puntual que aprovecha el movimiento

ascendente y descendente de una boya, inducido por las olas en la boya, para producir

energía eléctrica.




30

Figura 3.4 Esquema del Power Buoy

El PowerBuoy actúa como un pistón, desplazándose verticalmente con el movimiento de

las olas. La energía mecánica producida por este movimiento se traslada a una bomba

hidráulica que bombea un fluido que acciona un motor hidráulico. Este motor hidráulico

crea un movimiento rotatorio que impulsa un generador eléctrico.

Figura 3.5 PowerBuoy. [2] OTEO, Observatório Tecnológico para as Energías Offshore. Estado da Arte, Relatório 2012.

[3




31

Pelamis

Pelamis Wave Power Ltd., constituida en 1998, dispone a día de hoy, del dispositivo de

energía de las olas offshore con un mayor grado de desarrollo y que por tanto está más

cerca de la etapa de comercialización.

Figura 3.6 Pelamis [4]

El dispositivo, llamado Pelamis, consiste básicamente en 4 estructuras cilíndricas y tres

módulos que actúan de unión.

Las olas inducen a los cilindros un movimiento relativo, de forma que unos se desplazan

respecto a los otros. Los módulos de unión, situados entre los cilindros, extraen energía

de este movimiento relativo por medio de 4 pistones hidráulicos. A cada lado del módulo

se sitúan dos pistones, de forma que unos absorben el movimiento vertical de un

cilindro y los otros el movimiento horizontal del otro.

Figura 3.7 Esquema de la PTO hidráulica de Pelamis




32

Cada pareja de pistones está conectada con un motor hidráulico que acciona un

generador eléctrico de 125 kW. Por tanto la potencia instalada en el Pelamis es 750 kW.

Sin embargo PWP espera poder elevar la potencia hasta 1 MW. La energía generada

en todos los módulos de unión se evacua a través de un solo cable umbilical.

Una de las ventajas de Pelamis es que las operaciones de instalación o desinstalación

resultan sencillas, gracias a la incorporación de un yugo de conexión a la línea principal

de fondeo, el cual permite un fácil arrastre del dispositivo. Además el cable umbilical

sale a través de este mismo yugo.

Pelamis es un dispositivo que debe trabajar en la dirección del oleaje, es por ello que

siempre debe estar correctamente orientado. El sistema de fondeo que emplea el

dispositivo permite que se auto-oriente en la dirección del oleaje, pero sólo dentro de un

determinado rango, es por ello que el Pelamis al igual que otros dispositivos de

similares características no es recomendable para mares con oleajes de direccionalidad

muy variable.

Oyster

Aquamarine Power Ltd. Fue fundada en 2005 para desarrollar el “Oyster”, un dispositivo

que interactúa con la fuerza de las olas cerca de la costa en profundidades de 10 a 15

m.

Figura 3.8 Prototipo del Oyster instalado en el EMEC [5]




33

El Oyster utiliza tecnología hidráulica para transferir la energía hasta la costa. Consta de

una columna de 11 metros de alto por 18 de ancho formado por cinco cilindros de 1,8

metros de diámetro, que oscila con la fuerza de las olas y actúa sobre unos pistones.

Los pistones pueden bombear agua a presión a la costa a través de tuberías

submarinas y una vez en tierra firme, convierten la presión hidráulica en energía

eléctrica a través de una turbina hidráulica. El agua pasa de nuevo al dispositivo a

través de un circuito cerrado por una tubería de retorno de baja presión.

Figura 3.9 Esquema de funcionamiento del Oyster

Figura 3.10 Central generadora en EMEC

La primera versión del Oyster contaba con una potencia nominal de 315 kW, pero en

Julio de 2011 fue presentado el Oyster 2 con unas dimensiones de 26 metros de ancho

y 12 de alto y una potencia nominal de 800 kW.




34

El Oyster 1 demostró su funcionamiento en el verano de 2009 en las instalaciones del

EMEC (European Marine Energy Center) en el norte de Escocia. En Septiembre de

2011 se puso en marcha un prototipo del Oyster 2 en la misma localización y a lo largo

de 2012 se esperan poner dos más, completando una planta de generación de 2,4 MW.

Fred Olsen Lifesaver

El concepto de Fred Olsen (FO) se basa en un absorbedor puntual, para el que ha sido

diseñada una estructura flotante con alta área superficial y baja masa, y que resulta

eficiente con respecto a la potencia absorbida. Esta geometría se traduce en una alta

frecuencia de resonancia y por lo tanto conduce a una respuesta de amplitud cercana a

la unidad para la mayoría de los estados de ola relevantes. Por tanto, el sistema es

bastante rígido y muy adecuado para la producción de energía mediante amortiguación

pasiva. El absorbedor está bien amarrado al fondo del mar con un captador de potencia

que produce energía a partir del movimiento vertical del dispositivo. El sistema de

absorción puntual es independiente de la dirección de las olas, lo que simplifica el

sistema de fondeo y hace que el sistema sea robusto incluso para olas mezcladas

desde distintas direcciones.

Figura 3.11 Prototipo de Fred Oldsen [9]

El captador de potencia consiste básicamente en un sistema de cabrestante y cuerda.

El generador sólo puede producir energía durante el movimiento hacia arriba, y tiene

que mantener la tensión de la cuerda en el movimiento hacia abajo. El generador es una

máquina de imanes permanentes de altas prestaciones fabricado por Siemens y está

diseñado para aplicaciones de servomotor industriales. Tiene una alta salida de par y

baja inercia, y es adecuado para aplicaciones de transmisión directa con baja relación

de transmisión o incluso sin caja de cambios.




35

Figura 3.12 Esquema de la PTO de Fred Olsden

FO comenzó en el año 2000, y en se puso en marcha 2004 el convertidor de energía de

olas Buldra, construido como una plataforma con múltiples absorbedores puntuales.

Desde entonces, se han puesto a prueba varios conceptos y construido varios

prototipos diferentes, todos ellos basados en el concepto de absorbedor puntual. La

serie de experimentos han conducido al concepto de absorbedor puntual de cuerpo

único, como en el prototipo Lifesaver. Los absorbedores puntuales no son los más

eficientes cuando se mide en términos de energía capturada, pero han demostrado sin

embargo tener éxito en relación a los costes globales.

3.2. TIPOS DE DISPOSITIVOS DE CORRIENTES MARINAS

En los últimos años se han propuesto una serie de diferentes conceptos de tecnología

para dispositivos convertidores de corrientes marinas. Las diferencias principales entre

los conceptos se relacionan con el método de asegurar la turbina en su lugar, la

cantidad y orientación de hojas y rotores, y de qué manera se controla la inclinación de

las hojas. Los dispositivos de corrientes marinas son generalmente modulares y su

objetivo es ser desplegados en “arrays” para aplicación comercial a fin de obtener una

producción de energía significativa (una aproximación similar a los proyectos eólicos en

la costa y offshore). Los dispositivos de corrientes marinas propuestos o en desarrollo

se pueden agrupar en las siguientes categorías:

Turbinas de eje horizontal

Turbinas de eje vertical

Hidrodeslizadores oscilantes




36

Figura 3.13 Clasificación de los dispositivos de corrientes marinas

3.2.1. TURBINA DE EJE HORIZONTAL

Las turbinas de corrientes marinas de eje horizontal giran sobre un eje paralelo a la

dirección de la corriente marina, funcionando de la misma manera que los

aerogeneradores en la energía eólica. Este tipo de turbinas se clasifican en función del

número de palas. Los dispositivos multi-pala son más adecuados que los de una pala

porque tienen un mayor par de arranque y reducen los problemas de equilibrado, sin

embargo, las pérdidas hidrodinámicas son mayores con un mayor número de palas.

Un ejemplo es la turbina desarrollada por la compañía Marine Current Turbines, que

tiene un dispositivo a escala comercial con una potencia nominal de 1.2MW.

Figura 3.14 Dispositivo de corrientes marinas de eje horizontal de Marine Current

Turbines Ltd. en Strangford Lough [6]




37

Dependiendo del diseño de la turbina, las palas puede tener un ángulo paso fijo o

variable. Con la utilización del ángulo de paso variable, debido a la menor variabilidad a

corto plazo de las corrientes marinas respecto al viento en eólica, se puede hacer una

regulación de potencia mecánica de salida en base al cambio de ángulo de paso de la

pala, e incluso se puede lograr que la turbina opere con el flujo en ambos sentidos. En

el caso de ángulo de paso fijo, la regulación de potencia se realiza por la pérdida

hidrodinámica que se produce en la pala a medida que aumenta la velocidad de la

corriente marina.

Figura 3.15 Figura 1.30. Turbina de eje horizontal de la empresa ANDRITZ Hydro

Hammerfest [7]

Existe una variante dentro de las turbinas de eje horizontal en la que se añade un

conducto para aprovechar el efecto Venturi, concentrando el flujo mejorando el

rendimiento.




38

Figura 3.16 Turbina de eje horizontal con conducto desarrollado por OpenHydro [8]

3.2.2. TURBINA DE EJE VERTICAL

Estos aparatos generalmente tienen dos o tres hojas montadas a lo largo de un eje

vertical para formar un rotor; el movimiento cinético de la corriente de agua crea un

empuje en las hojas haciendo que el rotor gire impulsando un generador eléctrico. . Este

tipo de dispositivos se basan en turbinas tipo Darreius. La turbina está formada por

varias montadas verticalmente entre un apoyo superior e inferior. Los principales

problemas asociados con la turbina de eje vertical son las grandes fluctuaciones de par

motor en cada giro y la escasa capacidad de auto-arranque. Estos problemas se

pueden reducir disponiendo las palas en forma de hélice, formando un rotor tipo Gorlov.

Sin embargo las máquinas con palas helicoidales tienen una eficiencia menor que el

diseño de pala recta.

Esos sistemas son similares a las turbinas de eje horizontal pero pueden ser aplicados

en zonas con menor profundidad (embocadura, río etc.).




39

Figura 3.17 Turbina EnCurrent de New Energy Corporation

3.2.3. HIDRODESLIZADORES OSCILANTES

Este dispositivo funciona como ala de avión pero en un fluido; los sistemas de control

cambian su ángulo en relación con la corriente de agua creando fuerzas de

levantamiento y resistencia aerodinámica que crean oscilación del aparato; este

movimiento típico de esta oscilación alimenta a un sistema de conversión de energía.

Figura 3.18 Hodrodeslizador Pukse Stream

El número de dispositivos de corrientes marinas alternativos es muy reducido

comparado con los rotativos vistos anteriormente.




40

3.3. SOLUCIONES TECNOLÓGICAS EN EOLICA OFFSHORE

Al igual que en tierra, en entorno marino se utilizan cimentaciones que permiten que el

aerogenerador funcione y soporte las aceleraciones del viento. Estas cimentaciones

pueden ser de diferente tipo y la elección de un determinado modelo de cimentación

dependerá de varios parámetros físicos como pueden ser las condiciones ambientales,

profundidad, condiciones del fondo marino, etc. Pero, principalmente dependerá de

consideraciones económicas, eligiéndose siempre la alternativa más rentable. Hay que

tener en cuenta que a medida que la profundidad aumenta, resulta más costoso instalar

las cimentaciones en el mar.

La proporción entre las cargas horizontales y cargas verticales a las que están

sometidas las estructuras offshore es un factor significativo en el diseño de este tipo de

estructuras.

La figura de abajo indica el tipo de cimentación más rentable que se puede instalar en

las distintas profundidades de agua.

Figura 3.19 Relación coste-profundidad del mar para la elección del tipo de cimentación

(Fuente NREL)

Dependiendo de la ubicación de los aerogeneradores, las localizaciones se denominan:




41

Aguas someras (<30m). Los aerogeneradores que se instalan a

profundidades menores de 30m son los que se soportan por subestructuras de

gravedad, monopilotes y de succión.

Aguas de profundidad intermedia (30-60m). Las profundidades entre los

30 y 60m son adecuadas para las instalaciones trípode, jacket/truss y

monopilotes con tirantes. Las más comúnmente utilizadas son las trípodes,

aunque existen algunas excepciones, como puede ser el parque eólico marino

de Alpha Ventus en Alemania, que tiene instalado 60MW con plataformas tipo

jackets y trípodes.

Aguas profundas (>60m). Las tecnologías consideradas para ser

instaladas en este rango son las flotantes, tales como las tension leg platform

(TLP), spar y semisumergible.

3.3.1. CIMENTACIONES PARA EÓLICA OFFSHORE FIJA

A continuación se describirán los diferentes tipos de estructuras utilizadas para soportar

los aerogeneradores.

Cimentaciones de Gravedad

Estas estructuras son internacionalmente conocidas como GBS (Gravity Base

Structures). Son estructuras de grandes dimensiones que se apoyan sobre el fondo

marino. Una característica de estas estructuras es su bajo centro de gravedad. La zona

de aplicación de estas estructuras es muy cercana a la costa, se suelen emplear entre

los 2 y los 10m, por lo que la acción de las olas sobre estas plataformas no es extrema.

Estas cimentaciones se fundamentan en una base de hormigón que descansa sobre el

lecho marino. Además, pueden disponer de unas paredes verticales que sobresalen de

su base, penetrando el fondo del mar. Al emplear hormigón como material de la

subestructura de soporte, son estructuras económicas. Para abaratar costes, se suelen

lastrar con arena y grava, para aumentar el peso muerto.

Pueden resultar caras si se quieren emplear a profundidades superiores a los 20m, ya

que tanto las olas como el viento contribuyen significativamente al movimiento torsor de




42

su cimentación, y además, la cantidad de hormigón necesaria encarecería la estructura,

por lo que su instalación a profundidades mayores no es asumible. Un aspecto a tener

en cuenta a la hora de estudiar la estabilidad es la licuefacción de la base de hormigón.

Figura 3.20 Subestructura de base de gravedad (Fuente: Garrad Hassan)

La construcción de estas subestructuras requiere de una preparación especial del lecho

marino donde se van a ubicar, para nivelar la zona de instalación. Su construcción

comienza en el dique seco, donde se construye la estructura en posición vertical,

posteriormente se llena de agua el dique y de esta manera puede ser remolcado hasta

su posición final. Este procedimiento abarata los costes de instalación, ya que se evita

la utilización de grandes barcazas. La mayoría de estas cimentaciones se transportan

de esta manera, por lo que se necesita la ayuda de grandes grúas para levantar las

plataformas y llevarlas hasta su posición en el fondo del mar. Por último, se lastran las

cimentaciones, pudiendo llegar a alcanzar el lastre dos tercios del peso final.

Monopilotes

Este tipo de cimentación se caracteriza por su sencilla construcción e instalación. El

principio del monopilote consiste en la introducción de la extensión del pilote en el fondo

marino. Para aportar rigidez suficiente, el diámetro de estas estructuras debe ser lo

suficientemente grande. El diámetro de la torre varía entre 6 y 8m. Si se quisiera utilizar

este tipo de estructura a profundidades mayores, se necesitarían diámetros muy

grandes, por lo que su construcción sería realmente complicada.




43

Figura 3.21 Subestructura monopilote (Fuente Garrad Hassan)

Es el soporte más empleado para profundidades intermedias. Como modo orientativo,

las longitudes que suele tener el pilote varía entorno a los 25-90m y suele ir perforado

en el subsuelo marino, aunque existen pilotes cuyas longitudes se encuentran fuera de

este margen. Uno de los inconvenientes que presenta este tipo de subestructura es que

se necesita una barcaza tipo jack-up para su instalación, y de esta forma se encarecen

los costes de instalación.

Las cargas verticales pueden transmitirse al fondo del mar a través de la fricción de las

paredes del soporte principal central. Las cargas laterales, sin embargo, son muy

elevadas y se transfieren mediante su base al lecho marino.

En general, la experiencia demuestra que los monopilotes ofrecen buenos resultados a

pocas profundidades de mar, con turbinas de entre 2 y 3MW de potencia. Su

construcción es sencilla y el coste de acero fabricado de estas varía entre 2-3€ el

kilogramo de acero.

Una peculiaridad de este tipo de cimentación es que son muy flexibles, por lo que la

frecuencia de la torre podría coincidir con la frecuencia natural del rotor, originando

fuertes vibraciones. Por ello, se han desarrollado nuevos conceptos como los jacket y

las plataformas trípodes, que se usan para capacidades de turbina mayores.




44

Los monopilotes pueden instalarse de diversas formas. Una de ellas es conduciendo el

pilote a través de la superficie del fondo del mar. La grúa de la barcaza que transporta

los pilotes la mantiene vertical, y se introduce lentamente en el lecho marino

golpeándola con un gran martillo manejado por una grúa. Mediante una herramienta de

alineación se consigue la instalación de la subestructura perfectamente erguida. La

penetración del pilote puede controlarse gracias a unas marcas hechas sobre éste.

En el caso de que la superficie del fondo marino sea muy rocosa, la mejor opción para

instalar el pilote sobre el fondo, sería mediante la perforación del subsuelo. Por medio

de una barcaza jack-up se perfora un hoyo en la posición deseada, para que el pilote

pueda ser conducido a través de éste. Una vez que el pilote se encuentra posicionado

sobre la hendidura producida, la perforadora se introduce en el pilote y va abriendo paso

en el fondo marino, mientras que lentamente se va introduciendo el pilote. Para

mantener la posición vertical del pilote, su interior se rellena de hormigón. Este sistema,

presenta costes un tanto elevados, relativos a la actividad de perforación del suelo

marino. Pero resulta la opción más acertada cuando el fondo es de naturaleza rocosa.

Es necesario prestar especial atención a la erosión que podría sufrir el pilote cuando se

encuentra en zonas de mucha corriente, en donde las aguas son turbias y las partículas

de arena golpean la superficie de la subestructura de la turbina. Estos pequeños

impactos podrían ocasionar pequeños agujeros, y es por ello por lo que se debe

proteger la superficie de la subestructura con una capa protectora formada por

pequeñas piedras alrededor del pilote (scour protection en terminología anglosajona).

Esta protección se puede hacer previamente a la instalación del pilote, a lo que se le

conoce como protección estática, o bien después de la instalación de todos los pilotes

de las turbinas del parque eólico.

La pieza de transición, que une el pilote con la turbina, se puede instalar de varias

maneras. Una forma es mediante el uso de hormigón entre esta pieza y el pilote. En

este caso, se desliza la pieza de transición en el interior del pilote y el espacio entre

ambos se rellena con hormigón, como se puede ver en la figura.




45

Figura 3.22 Modo de instalación de la pieza de transición (Fuente: www.dnv.com)

Esta opción presenta una gran desventaja, ya que debido al funcionamiento de la

turbina y a la acción de las olas y del viento, se puede producir vibraciones que

perjudiquen al hormigón. Y por ello puede ser necesario tener que rellenar el hueco con

más material.

También podría emplearse una brida entre ambos, ajustada mediante pernos cuando

las dos piezas están perfectamente alineadas, o bien, por medio de una junta

deslizante. La parte superior del pilote y la parte baja de la pieza de transición tienen

sección cónica, por lo que así queda un ángulo muy reducido con la vertical. Esta

opción presenta el inconveniente de que la pieza cónica de transición es más compleja

de construir que una pieza cilíndrica. Aunque ésta táctica no se ha desarrollado en el

campo de la eólica marina, sí lo ha hecho en el terrestre.

Frente al inconveniente que presenta cerrar el hueco entre la pieza de transición y el

pilote, la Sociedad de Clasificación Det Norske Veritas, DNV, ha desarrollado una

alternativa que consiste en el acabado cónico de la pieza de transición, válido para

soportar grandes momentos torsores.

La forma de trasladar la pieza de transición es similar a la del pilote. Una vez montados

el pilote y la pieza de transición, quedaría por colocar el rotor y las palas, que pueden

montarse por separado, es decir, primero se situaría la nacelle sobre la parte alta de la

pieza de transición, y las palas se podrían instalar una a una, o bien que estén ya


http://www.dnv.com/



46

montadas al rotor. Cuantas más piezas vengan montadas desde tierra, más reducidos

se verán los costes y tiempos de instalación.

Otra configuración distinta a la que puede encontrarse el rotor es la de que venga con

dos palas ya instaladas, de modo que quede por instalar la tercera en el mar por medio

de una grúa. De esta forma, al sólo tener que montar una pala en lugar de las tres

separadamente, se ahorrarían tiempo y costes.

Cámaras de succión

Este tipo de construcción permite un ahorro en materiales, además que ofrece la

posibilidad de ser construida de un modo sencillo. El fundamento de la instalación se

basa en una cámara de succión en el extremo de la cimentación, formada por un

cilindro de gran diámetro con la parte superior cerrada, que también es conocido como

falda. El diámetro de éste cilindro puede llegar a ser de hasta 16m.

En el extremo cerrado del cilindro, por medio de unos refuerzos se extiende un pilote

que va reduciendo su diámetro a medida que se aleja de la cámara de succión, y que

termina en una brida situada por encima de la superficie del mar. El diámetro del pilote

en este extremo se corresponde con el de la torre de la turbina.

Para su instalación sobre el fondo marino es necesario bombear el agua de la cámara

para crear una diferencia de presión. La presión interior será menor que la exterior y ello

producirá una presión negativa en el interior, por lo que se producirá la succión. Ello

servirá para extraer el agua y así enfrentar la base de la cimentación con el fondo.

El esquema inferior representa este tipo de cimentación.




47

Figura 3.23 Subestructura tipo cámara de succión (Fuente: www.lorc.dk)

Actualmente se encuentra un prototipo instalado en el parque de Frederikshavn, en

Dinamarca. Este proyecto, objetivo de estudio, es liderado por el Carbon Trust Británico,

que pretende testar esta subestructura, ya que su uso permitiría la extensión y

construcción de este tipo de soporte ligero y de precio asequible.

Trípode

Estas construcciones ayudan a reducir las deflexiones de la torre, aunque se necesita

una preparación especial del fondo marino para su instalación. La parte baja de la

estructura de soporte de los aerogeneradores consiste en un armazón de miembros

tubulares esbeltos que están conectados a la estructura central. Este reforzado es

construido en tierra para reducir costes. El armazón es fijado al fondo marino mediante

pilotes en los extremos de cada pata.

La principal diferencia entre este tipo de soportado con los monopilotes reside en la

forma en la que las cargas son transferidas al fondo. Los miembros de la parte baja del

armazón están cargados axialmente.

La forma de instalación de esta cimentación es similar a la de las estructuras tipo jacket.

Primero tiene lugar el montaje de la subestructura. En este caso, el trípode ya viene pre-

montado en tierra, y es transportado hasta su localización en el mar por medio de una

barcaza. Con ayuda de una grúa la estructura se levanta de la barcaza y se lleva a su

posición sobre el fondo del mar. Para asegurar su posición sobre el fondo se colocan




48

unos pilotes en los extremos del trípode que penetran el lecho marino. La forma de

instalar la torre de la turbina y el rotor se hace de forma similar a la de los monopilotes.

Estas estructuras se utilizan en 6 de las 12 turbinas instaladas en el parque eólico Alpha

Ventus, en Alemania.

Figura 3.24 Subestructura trípode (Fuente: Garrad Hassan)

Jacket/Truss

Formada por cuatro patas conectadas entre sí mediante una estructura reforzada de

piezas tubulares. Esta estructura ofrece resistencia suficiente para evitar el vuelco de la

torre. El diámetro de las patas puede llegar a tener más de un metro.

Las cargas se transfieren en dirección axial por medio de estos miembros. La estructura

inferior del cimentado es fijado al fondo del mar por medio de pilotes en el extremo de

cada pata.

Las últimas plataformas jacket instaladas con 5MW de potencia han demostrado ser las

soluciones más ventajosas para profundidades de 30m o mayores, ya que aportan

menor peso y coste, en comparación con la tipo trípode.




49

Figura 3.25 Subestructura jacket (Fuente: Garrad Hassan)

Subestructuras tipo jacket con menos de 50m de altura pueden instalarse en el mar a

través de una barcaza, de la cuál será luego suspendida por medio de una grúa y

llevada a su posición sobre el lecho marino. Los pilotes que mantendrán la estructura

sobre su posición, también son transportados en la barcaza. La experiencia ganada de

las estructuras de la industria oil & gas, demuestra que para jackets de dimensiones

mayores, su transporte se efectúa con estas plataformas en posición horizontal.

Como ejemplo de un proyecto que utilice subestructuras tipo jacket para soportar las

turbinas estaría Beatrice: proyecto en fase de pruebas en el Reino Unido. Tiene

instalado dos estructuras jackets que soportan una turbina de 5MW cada una, a una

profundidad de 45m. También se utilizan en 6 de las 12 turbinas instaladas en el parque

eólico Alpha Ventus, en Alemania.

La estructura jacket se transportó hasta su posición en el mar mediante una barcaza.

Posteriormente, un buque especializado con dos grúas, izó la plataforma y la colocaron

en posición vertical. Luego, se sumergió y se colocó sobre el fondo marino, se niveló, y

se le pusieron los pilotes que fijan la estructura en el fondo. La ilustración representada

a continuación muestra la estrategia que siguen estas estructuras para estar fijas al




50

suelo. El siguiente paso fue instalar la turbina, que ya venía ensamblada en tierra, sobre

la torre junto con el rotor, para lo que se necesitó instalar una pieza acoplada a la torre

para poder llevar a cabo la operación de montaje.

Al pasar de una cimentación monopilote a una jacket, la rigidez de la torre y la

cimentación aumenta. Y la frecuencia necesaria para que se produzca la resonancia

entre la torre y el rotor aumenta. Por ello, la parte alta de la torre en las plataformas tipo

jacket es más estrecha para aportar la flexibilidad necesaria y evitar este fenómeno,

pero sus paredes son de gran espesor para tener suficiente resistencia. La posición

nivelada de la estructura jacket sobre el fondo marino se consigue por medio de un

vehículo operado a distancia (ROV).

Monopilote con tirantes

Estas estructuras son una variedad del monopilote que dispone de unos cables tirantes

que resisten el momento torsor de la torre. Pueden instalarse hasta los 50 o 60m

profundidad. Su estructura sencilla hace que los costes de producción sean reducidos.

Son estructuras que ofrecen excelentes características dinámicas. Son relativamente

ligeras y económicas de construir, además que pueden ser instaladas y desmanteladas

con facilidad.

Las líneas tensoras se extienden desde la torre hasta el fondo marino. Los tirantes se

colocan lo más alto posible, justo por debajo de las palas, para reducir los momentos

torsores. Los cables son fijados al fondo mediante anclas, cuyo tipo dependerá del suelo

en el que se instale esta estructura. Para evitar las interferencias entre la navegación de

los barcos y los cables de la cimentación de las turbinas, se dispone de unas líneas de

defensa. Esta alternativa ofrece una mayor eficiencia, por la absorción de las fuerzas

por los tirantes. Además, son más versátiles ya que pueden usarse en cualquier tipo de

fondo marino, ya sea rocoso o liso y no requiere de preparación especial del suelo, por

lo que es fácilmente instalable.

Para su instalación, una barcaza remolcará la torre y su cimentación hasta su posición

final y una jack-up se encargará de izarla, y mantendrá la estructura sobre el lecho

marino hasta que se conectan y tensionan las líneas. Sin embargo, este diseño también

presenta inconvenientes derivados de que se trata de un concepto novedoso y no hay

mucha experiencia de utilizar cables tensores en las turbinas offshore. Si la barcaza

jack-up se usa además para situar las anclas, los trabajos de instalación se verán




51

afectados por las condiciones meteorológicas que afectarán al buque. Los cables deben

asegurar los ángulos horizontales y verticales estimados, ya que las anclas se deberán

instalar al menos a uno o dos metros de su posición calculada. Es posible que con el

tiempo, sobre todo si se han dado fuertes cargas que hayan hecho que las anclas se

hayan desplazado, sea necesario dar más tensión a los cables, hecho que encarece las

inspecciones de mantenimiento.

3.3.2. SOLUCIONES DE EÓLICA OFFSHORE FLOTANTE

Hywind

El diseño Hywind consiste en una estructura cilíndrica delgada estabilizada por lastre. El

flotador tipo ‘spar’ presenta poca área frente a las olas, minimizando las cargas

inducidas por éstas, y una estructura simple que minimiza los costes de producción, y

además puede ser utilizado con cualquier turbina eólica marina cualificada. El sistema

de fondeo se compone de tres líneas de amarre conectadas a la estructura por medio

de bridas que impiden una excesiva rotación alrededor del eje vertical (movimiento de

guiñada). El sistema de fondeo tiene redundancia, de manera que tiene una capacidad

resistente de reserva en caso de un fallo en alguna línea de amarre.

El demostrador Hywind de 2,3 MW se instaló en Noruega en 2009, siendo la primera

turbina eólica marina flotante instalada en el mundo, y se encuentra a una profundidad

de agua de 200 metros, a 10 km de la costa oeste de Noruega. Se ha examinado a

fondo después del primer y segundo año de servicio, y no hay signos de deterioro, daño

o desgaste debidos al hecho de estar sobre un flotador, por lo que Statoil considera el

diseño técnicamente verificado. El diseño ha sido optimizado para el uso de turbinas en

el rango de 3 a 7 MW. El siguiente paso será probar el diseño en un parque piloto con

cuatro a cinco unidades.




52

Figura 3.26 Hywind

WindFloat

El diseño WindFloat consiste en un flotador semi-sumergible equipado con un sistema

patentado de placas de arrastre de agua en la base de cada columna. Estas placas

mejoran el movimiento del sistema de manera significativa debido a efectos de

amortiguación y arrastre de agua, lo cual aporta una estabilidad que permite el uso de

los aerogeneradores comerciales existentes. Además, el sistema de control de bucle

cerrado de la posición angular del WindFloat mitiga el promedio de las fuerzas de

empuje inducidas por el viento. Este sistema asegura la óptima conversión de energía

pese a los cambios en la velocidad y dirección del viento. El sistema de fondeo emplea

componentes convencionales, tales como cadenas y líneas de poliéster para minimizar

el coste y la complejidad del mismo.

En 2011, se instaló WindFloat en la costa portuguesa equipado con una turbina Vestas

de 2MW, y comenzó a producir energía en 2012. El siguiente paso será la construcción

de un parque de 27 MW de Portugal, con el apoyo financiero del programa europeo

NER300. También está previsto otro proyecto de demostración de 30 MW en las costas

del Pacífico en Oregon.




53

Figura 3.27 WindFloat

3.4. EVACUACIÓN ELÉCTRICA

La topología de conexión y transformación tiene un doble impacto en generación y

costes. Por un lado las pérdidas en el cableado dependen de la longitud, sección y

apantallamiento, y las pérdidas de transformación dependen del dimensionamiento de

éste. Agrupar más o menos captadores en una misma línea de evacuación eléctrica y

un mismo transformador permite un mejor aprovechamiento del mismo, ya que el rizado

de la potencia será menor cuantos más captadores trabajen.

Existen diferentes de topologías alternativas para la conducción de la energía eléctrica.

Estas topologías consideran los componentes del sistema de evacuación y de

transformación o elevación de la energía.

Los dispositivos de energías marinas actuales en raras ocasiones superan el MW de

potencia unitaria, a excepción de la eólica offshore, por lo que la construcción de un

parque de varios MW requiere la instalación y agrupación de muchas unidades.

La forma de conexión elegida para ha de tener en cuenta criterios como la fiabilidad,

eficiencia energética e integración en la red eléctrica.

El sistema eléctrico de una planta de energía marina puede ser considerada en

diferentes etapas. Cada etapa o nivel tendrá varias unidades de equipamiento similar.

La energía producida puede verse como un flujo que circula entre estos niveles, desde

la unidad generadora hasta el punto de conexión a red.




54

Cada nivel recoge la energía procedente del nivel anterior y la entrega al nivel siguiente

que conforma el sistema.

El esquema general de una planta de este tipo se compone de:

• Clusters: aúnan la energía procedente de varios dispositivos.

• Etapa de Elevación: para elevar la tensión en caso necesario.

• Sistema de Evacuación: para transmitir la energía desde los captadores

hasta el punto de conexión.

Figura 3.28 Ejemplo de posibles configuraciones de parque.

La elección de la configuración más adecuada debe estar basada en los requerimientos

técnicos necesarios en cada caso (nivel de potencia, nivel de tensión en el punto de

conexión, etc) y también en consideraciones económicas.

En realidad, los costes de conexión a red son altamente variables y dependientes de

estos factores:

• La longitud del cable submarino que conecta el parque offshore con la

costa.

• El número de cables del intra-parque para la conexión de los dispositivos

generadores.

• Elementos de conexionado.

• Necesidad de una Subestación transformadora offshore.

• Secciones de cable que minimicen la caída de tensión y las pérdidas de

potencia.

En dispositivos que necesitan un sistema de fondeo, el comportamiento hidrodinámica

de todo el sistema puede condicionar la elección del esquema de conexión del parque.




55

Figura 3.29 Factores que influyen en la configuración de parque.

De la experiencia obtenida en la instalación de parques eólicos offshore se concluye

que hay que prestar especial atención a la conexión entre los generadores del parque.

Algunas configuraciones son más adecuadas que otras dependiendo de los

requerimientos de voltaje y potencia.

En lo que se refiere a dispositivos flotantes, el cable umbilical que evacúa la energía de

cada dispositivo debe cumplir una serie de requisitos mecánicos que podrían

condicionar el voltaje a valores de 6 kV o inferiores, así como limitar la elección de la

sección del cable.

La siguiente tabla muestra algunos valores típicos de tensión para parques de energía

marina. La necesidad de una subestación offshore para parques de energía de las olas

depende de la diferencia entre los niveles de voltaje del nivel “Cluster” y aquel requerido

en la evacuación del parque, así como la potencia a transmitir a costa.

Etapa Nivel de Voltaje (kV)

A nivel “Cluster” 3, 6 (para cables umbilicales o dinámicos)




56

10, 20, 33 (para cables estáticos)

A nivel Evacuación 33, 132, 150, 220 (AC)

± 80, ±150 (DC)

En el punto de conexión 150, 220, 400

Tabla 3.1 Valores típicos de tensión para parques de energía marina.

3.4.1. CONFIGURACIONES DEL CLUSTER

Si en un parque de energía marina se optase por conectar de manera individual cada

dispositivo generador a costa, tendríamos un sistema con alto grado de disponibilidad,

pero en la mayoría de los casos esta solución nos llevaría a costes excesivos tanto en el

cable como en su instalación, incluso para parques de pequeña potencia cercanos a

costa.

Por lo tanto, los generadores se suelen agrupar en sistemas colectores (cluster) dentro

del parque.




57

Tipos de Cluster

Se pueden considerar las siguientes configuraciones para el agrupamiento de

generadores:

Figura 3.30 Principales tipos de conexión en parques de energías marinas.

• Configuración en serie (String) sin redundancia (C1 y C3): Los

dispositivos se conectan entre sí con un único cable.

• Configuración en Estrella (C2): Los dispositivos se conectan de forma

individual a un nodo o cluster.

• Configuración en String con redundancia (C4): Igual que el caso C1 y C3,

con la diferencia de que el cableado crea un lazo cerrado.

• Configuración DC (C5): Varias ramas de dispositivos conectados en

serie. Esta configuración solo puede usarse en sistemas de conexión en

corriente continua.




58

Número de Clusters por parque

El número de clusters determina el número de dispositivos que se van a conectar a

cada uno de ellos y suele venir fijado por la potencia total a evacuar. Este número,

aparte de determinar diferentes topologías de conexión, también tiene su reflejo en los

costes, pérdidas de potencia y disponibilidad del parque.

Cuando la distancia al punto de conexión en costa es lo suficientemente corta y la

potencia a transmitir no son muy elevada, se puede optar por una conexión directa de

cada cluster y evitar el uso de una subestación offshore.

3.4.2. ARQUITECTURAS DE INTERCONEXIÓN

El nivel de tensión del sistema de evacuación (media o alta tensión) puede condicionar

la necesidad de instalar una subestación offshore. Si es necesario el empleo de una

plataforma offshore para ubicar transformadores o convertidores (en caso de conversión

AC/DC), existen varias alternativas a considerar en la conexión de los dispositivos a la

red de evacuación.

Se pueden considerar las siguientes alternativas:

• Configuración a): Los dispositivos se conectan directamente a la costa.

• Configuración b): La planta se compone de un único cluster, el cual a su

vez se conecta con la costa.

• Configuración c): La planta se compone de varios clusters y estos se

conectan de manera individual a costa.

• Configuración d): Los diferentes clusters de la planta se conectan a un

punto común y comparten cable de conexión a costa.




59

Figura 3.31 Topologías de interconexión.

Es posible recurrir a una combinación de estas cuatro arquitecturas cuando por ejemplo

se deben cumplir unos requisitos de disponibilidad o redundancia.

Alternativas de conexión

Configuración a) Configuración

b)

Configuració

n c)

Configuración

d)

Pros

- Muy alta disponibilidad

- Bajas pérdidas

- Configuración simple

- Reducidos

costes de

instalación

- Mantenimiento

sencillo

- Alta

disponibilidad

- Bajos costes

de instalación.




60

Cons

- Altos costes de

instalación

- Interconexión

necesaria en costa.

- Baja

disponibilidad

- Pueden darse

grandes pérdidas

-

Interconexión

necesaria en

costa.

- Dificultad

para localizar

faltas.

- Complejidad

Aplica

ción

Plantas pequeñas y

cercanas a costa.

Plantas

pequeñas y con

requerimiento de

disponibilidad

bajo.

Plantas

grandes y con

requerimiento

de

disponibilidad

alto.

Plantas

grandes y con

requerimiento

de

disponibilidad

bajo.

Tabla 3.2 Comparativa de alternativas de conexión.

3.4.3. ALTERNATIVAS EN LA EVACUACIÓN

En la actualidad solo unos pocos dispositivos de generación de energías marinas han

estado operativos con conexión a red y siempre por un período limitado de tiempo.

La mayoría de estos parques se encuentran constituidos por un único dispositivo (a

escala) a una distancia cercana a costa, por tratarse de proyectos con fines

demostrativos cuyo objetivo no era maximizar la energía transmitida a la costa.

Los lugares de emplazamiento a menudo son seleccionados por razones económicas,

entre las que está la disponibilidad de un punto de conexión en costa que minimice la

infraestructura adicional necesaria que incremente los costes.

Una distancia a costa dentro de unos márgenes razonables permite una eficiente

transmisión de energía a un voltaje no muy elevado.

La elección del cable de conexión es un punto crítico en dispositivos generadores de

olas, los cuales están sometidos al empuje del oleaje, corrientes e incluso la necesidad

de re-orientarse para una eficiente captación de potencia. En estos casos, la flexibilidad

del cable es un factor importante.




61

Las alternativas existentes en la evacuación de energía son dos: Corriente alterna en

Alta Tensión (HVAC) y Corriente continua en Alta Tensión (HVDC).

En un cable submarino con evacuación en AC, las componentes capacitivas del cable

hacen que sea necesaria una compensación de energía reactiva para no ver mermadas

la capacidad de transmisión del sistema.

Desde el punto de vista económico, se debe realizar un estudio detallado que permita la

elección de la tecnología adecuada. El coste de una línea de transporte de energía

eléctrica supone la suma del coste de inversión más el coste de operación y

mantenimiento.

Figura 3.32 Comparativa de costes de inversión.

En la figura se presenta el coste de inversión de una instalación de transporte de

energía eléctrica frente a la longitud de la línea. El coste de las estaciones conversoras

es muy superior al de las subestaciones de corriente alterna, pero la pendiente del

crecimiento del coste con la distancia es superior en corriente alterna. Existe por tanto

un límite a partir del cual es más económico el transporte en corriente continua.

Lógicamente el valor límite depende de las condiciones particulares de cada proyecto.

Típicamente el límite es de unos 50 km para líneas de cable aislado.




62

4. RETOS VINCULADOS A LAS ENERGÍAS MARINAS

4.1. RETOS TECNOLÓGICOS

4.1.1. RETOS TECNOLÓGICOS GLOBALES

A continuación se ofrece un resumen de los desafíos globales que enfrenta el sector de

la energía marina, aportando una visión general de los retos que ha de asumir cualquier

desarrollo tecnológico. La identificación de estos desafíos es de gran importancia, ya

que pone de relieve las necesidades del sector e indica las áreas de acción específicas

que requieren un enfoque coordinado de la industria con el fin de asegurar que los

dispositivos de energía marina resulten fiables y rentables.

Por otro lado en esta sección también se destacan las áreas de acción específicas en

las que el sector de la energía marina necesita desarrollar un progreso continuo más

allá de su estado actual, de manera que se garantice que la tecnología no quede

constreñida por las barreras actualmente identificadas, y que los dispositivos de energía

marina puedan ir más allá de la demostración y entren en una fase de explotación

comercial sostenida. Esto redundará en beneficio no sólo de los desarrolladores de

determinadas tecnologías específicas relacionadas, sino también de un espectro más

amplio de fabricación, cadena de suministro y centros de investigación.

Cabe destacar que el reto fundamental para las tecnologías de energía marina es la

reducción del coste de la energía obtenida. Todos los desafíos técnicos existentes se

refieren de algún modo a la mejora del rendimiento, el aumento de la fiabilidad y la

reducción de los costes CAPEX y OPEX. La reducción de estos costes es un requisito

esencial para el despliegue sostenido de la energía marina.

Principales retos globales

Los principales retos globales del sector de la energía marina identifican las

características que deben demostrar los proyectos de dispositivos de energía marina a

fin de obtener la confianza necesaria en estas tecnologías. A continuación se describen

brevemente algunas de las áreas en las que se consideran los retos principales [11].




63

Previsibilidad

El recurso de la energía marina es de naturaleza estocástica y su estimación requiere

un adecuado conocimiento del entorno, por ejemplo la predicción de la altura y período

de ola exige conocer la magnitud y dirección del viento, además de otros factores como

la batimetría, haciendo que la estimación de la energía disponible sea una tarea difícil.

Estas estimaciones son generalmente posibles con un cierto número de días de

antelación, dado que por lo general el recurso no fluctúa de forma instantánea. Por otro

lado cada tipo de captador de energía va a responder de manera diferente. La mejora

de la previsibilidad de la producción de energía es un reto a afrontar para entornos y

dispositivos específicos, desarrollándose matrices de potencia en cada caso.

La previsibilidad de los flujos de las mareas es más precisa que el viento o las olas,

variando el momento y la duración de las mareas vivas y muertas de acuerdo con el

muy predecible movimiento del Sol y la Luna con respecto a la rotación de la Tierra. No

obstante el desarrollo de herramientas para ayudar a mejorar la comprensión de las

turbulencias y los efectos de ésta en la vida a fatiga de los componentes requiere más

trabajo de investigación. La previsibilidad del comportamiento de los dispositivos en un

entorno dado no es aún muy precisa por lo general, y la previsibilidad de la vida del

componente requiere la implantación y prueba de dispositivos reales con el fin de

cuantificarla mejor.

Fabricabilidad

La fabricabilidad de los captadores de energía marina mejorará a medida que los

dispositivos avanzan desde los primeros prototipos a escala real hacia la producción

comercial. Algunos actores clave dentro de la cadena de suministro, tales como

proveedores de componentes y de servicios, están empezando a realizar trabajo de

desarrollo para los fabricantes de dispositivos de energía marina, dado que ésta se

percibe como una actividad en crecimiento. El diseño de componentes del dispositivo y

subsistemas completos de éste podría permitir la aplicación de técnicas de fabricación

optimizada que se usan ya en otros sectores. Existe por otro lado la posibilidad de uso

materiales alternativos como sustitutos del acero que se utiliza ampliamente en la

tecnología actual. Nuevos materiales traerán diferentes desafíos en términos de

tolerancias de fabricación, y la escala de los componentes que se pueden crear. Dentro

del sector de la energía de las mareas hay más convergencia, centrándose

especialmente en las turbinas de eje horizontal. Hay margen para un mayor nivel de




64

reducción de costes a través de economías de escala. El diseño de los dispositivos es

fundamental para facilitar el acceso para la instalación y operación y una vez que el

despliegue del dispositivo se lleva a cabo.

Instalabilidad

La facilidad de instalación de un captador de energía marina depende básicamente de

su ubicación. La instalación depende en buena medida de la distancia a la costa así

como de las características del fondo marino, de manera que por ejemplo en un entorno

en el que el fondo marino no permite utilizar anclas de arrastre requiere el uso de

técnicas de fondeo alternativas más complejas.

Dentro del sector de las mareas, el reto de la instalabilidad requiere un proceso que

pueda llevarse a cabo rápidamente dentro del período de tiempo limitado ofrecido por la

marea, a la vez que económico. Las técnicas de instalación actuales son

financieramente exigentes debido al diseño de muchas tecnologías de primera

generación con sus grandes necesidades de fundación. Estos costes de instalación se

traducen en una parte sustancial de los costes totales del proyecto. Las técnicas de

instalación futuras deberán abordar estas cuestiones y proporcionar un método fiable y

económico para el acceso a los dispositivos tanto para su instalación como para su

operación y mantenimiento.

Tanto los dispositivos de olas como de mareas tienen necesidad de buques y técnicas

de instalación asequibles. Gran parte de la instalación de dispositivos así como las

intervenciones en estos que han tenido lugar hasta la fecha han utilizado buques del

sector de gas y petróleo, cuyo precio puede fluctuar considerablemente.

Operabilidad

La operatividad de los captadores de energía marina debe ser probada en todos los

desarrollos de tecnología de olas y mareas en el entorno marino. Mientras que algunos

desarrolladores de dispositivos han entrado en períodos de prueba extensos en estados

de mar cada vez más enérgicos, la operación remota de un dispositivo de forma

continua, en estados de mar altamente exigentes, aún requiere nuevos desarrollos. La

demostración del funcionamiento de los dispositivos fiable y con capacidad de

supervivencia en condiciones extremas mejorará con las pruebas adecuadas, lo que

sigue siendo un desafío tanto para el sector de la energía de las mareas como de olas.




65

Supervivencia

Los captadores de energía marina deben ser capaces de sobrevivir incluso en

condiciones de carga extrema dadas en situaciones de tormenta. La proporción de

cargas extremas frente a cargas operativas es mayor para la energía de olas que para

la energía de las mareas, por lo que los convertidores de energía de olas presentan más

exigencias técnicas con objeto de poder operar dentro de su más exigente régimen de

carga promedio, así como sobrevivir a tormentas. La energía mareomotriz es más

predecible y dada la caracterización adecuada del recurso en un sitio específico, la

carga máxima para un dispositivo instalado puede ser fácilmente estimada. Para los

dispositivos sumergidos deberán considerarse también las cargas de las olas con objeto

de estimar los esfuerzos de fatiga. Los dispositivos flotantes o semi-sumergibles pueden

tener requisitos adicionales de carga, debidos a requisitos estructurales y de fondeo

para olas de tormenta.

Fiabilidad

El desafío del funcionamiento fiable a largo plazo sigue siendo un requisito para los

desarrolladores de tecnología, tanto de olas como de mareas. El tiempo medio entre

fallos (MTBF) y la esperanza de vida de los componentes individuales no es en general

bien conocido, y con el fin de lograr períodos significativos de operación entre acciones

de mantenimiento se requerirá una mayor comprensión de estos parámetros.

Naturalmente una mayor fiabilidad reducirá los requisitos de mantenimiento no

planificado para el dispositivo.

Rentabilidad

Los esfuerzos continuos por mejorar la rentabilidad de la energía marina requerirá

innovación y la reducción de costes será el objetivo esencial de los sucesivos diseños

de los dispositivos. Mientras que los proyectos de demostración requieren una

importante inversión de capital con el fin de producir estructuras y componentes de

calidad, en el dispositivo comercial la rentabilidad a largo plazo va a definir viabilidad del

proyecto. Se entiende y acepta que los costes actuales de las tecnologías de energía

oceánica son más altos que los del sector de la energía eólica marina, sin embargo es

esencial que el sector de las energías oceánicas demuestre una reducción en los costes

para llegar a ser competitiva con relación a otras formas de producción de energía

renovable.




66

Retos tecnológicos transversales

Pueden identificarse una serie de retos tecnológicos específicos que son transversales

a todas las diferentes tecnologías de energía marina. El cuadro siguiente ofrece una

posible clasificación de los mismos, los principales de los cuales se discuten a

continuación.

Tabla 4.1: Retos tecnológicos transversales. Fuente: ETI Roadmap [12]

Estructura y captador

Muchos de los retos tecnológicos a que se enfrentan los desarrolladores de dispositivos

de energía marina están relacionados con la reducción de los riesgos a la hora de

probar el funcionamiento de estos en un medio marino desafiante. Las pruebas del

dispositivo a escala real en condiciones de funcionamiento representativas son

esenciales para probar que el diseño conceptual funciona en la práctica. Debido a las

incertidumbres existentes en la modelización de la respuesta real del dispositivo a las

condiciones reales de oleaje, se requiere de datos de funcionamiento real que permitan

verificar y validar los modelos computacionales.

Los componentes del dispositivo captador de energía de las marea, en particular para

las turbinas de eje horizontal, son más intercambiables que aquellos para los

dispositivos de olas (por ejemplo las palas de la turbina). Los avances en el diseño de

componentes presentan el beneficio potencial de contribuir a una amplia gama de

dispositivos, pudiendo ofrecer mayores economías de escala si los componentes

pudieran ser utilizados por un mayor número de dispositivos. Los dispositivos de




67

captación de energía marina deben demostrar su fiabilidad en condiciones de

funcionamiento difíciles, así como la posibilidad de instalarlos y recuperarlos dentro de

un corto periodo de tiempo, lo cual constituye una restricción de diseño fundamental en

los dispositivos. La fiabilidad probada de su funcionamiento es aún más importante en

aquellos casos en los que existen especiales dificultades de acceso a las estructuras,

por ejemplo los dispositivos totalmente sumergidos en aguas profundas. La estabilidad

estructural del dispositivo es de importancia fundamental dada la naturaleza de las

condiciones extremas experimentadas durante el funcionamiento en servicio, así como

la naturaleza cíclica de gran parte de las cargas experimentadas por el dispositivo y que

tienen un impacto en la vida de fatiga de la estructura y de sus componentes.

Fundaciones y Fondeos

Los retos vinculados a las fundaciones y fondeos para dispositivos de energía marina

son muy dependientes de la ubicación y situación del dispositivo, por ejemplo los retos

asociados a convertidores de energía de las olas cercanos a la costa son diferentes a

los de aquellos dispositivos offshore que utilizan amarres flotantes. Existen varias

opciones de fundación para los dispositivos, que deben diseñarse dependiendo de las

condiciones específicas del fondo marino y la profundidad del agua. Se requiere

innovación para reducir los costes actuales. Pueden conseguirse ahorros mediante la

reducción del número de puntos de anclaje, por ejemplo compartiendo puntos de

anclaje para más de un dispositivo flotante. La mayoría de los dispositivos están fijadas

al fondo del mar por las líneas de amarre, por lo que hay en cualquier caso una

necesidad de desarrollo de líneas más económicas.

Las estructuras de soporte para dispositivos de marea son grandes y pueden dar lugar a

una considerable resistencia al flujo de las corrientes, lo que aumenta con las

incrustaciones de fauna marina en su superficie (fouling). Esto puede representar,

debido a interacciones complejas con el fluido, en una reducción de la energía total que

puede ser extraída por los dispositivos aguas abajo. Es por tanto un reto para la

industria investigar el modo en que la pérdida de energía a través de la interacción con

la estructura de soporte puede ser minimizada. Esto es probable que suponga una

restricción para los parques y arrays de dispositivos y dará lugar a una exigencia

creciente de soluciones de fundación de baja fricción.

Con relación al sistema de fondeo, las soluciones preliminares se diseñan mediante un

cálculo cuasi-estático y finalmente con análisis dinámicos y de fatiga. Desde un punto




68

de vista técnico, el diseño resultante debe cumplir con las restricciones de posición,

dada la profundidad media, el clima marítimo en el lugar de trabajo y los esfuerzos

resultantes, las propiedades fondo, así como las condiciones de funcionamiento en

condiciones extremas. El criterio económico es especialmente importante en los casos

en que el sistema de amarre es una fracción sustancial de la inversión inicial, como es

el caso de un sistema de absorción de energía de las ondas. Las propiedades de fondo

deben también considerarse debido al desgaste que sufren los segmentos de las líneas

sobre el fondo, lo que implica un reto en cuanto al uso de materiales adecuados.

La evolución de la tecnología para los sistemas de fondeo está estrechamente

relacionada con el desarrollo de nuevos materiales, así como la forma de los anclajes.

La evolución de sistemas basados en materiales totalmente convencionales, tales como

el acero, hacia materiales poliméricos ha sido fuertemente motivada por la necesidad de

exploración de hidrocarburos a cada vez mayores profundidades. También ha habido

un significativo esfuerzo realizado para reducir la cantidad de material en el anclaje, en

particular mediante la utilización de anclas de succión, así como la incorporación de

instrumentación que indique la magnitud y dirección de la carga en el anclaje.

Sistema de conversión de energía

Los desarrolladores de dispositivos han considerado diferentes planteamientos con

relación a los componentes del sistema de conversión (PTO) empleándose soluciones

del tipo ‘direct drive’ y con cajas de transmisión hidráulicas o mecánicas. Es probable

que esta área se beneficie de los desarrollos de PTO para aerogeneradores. Para ello

es necesario que se mejore la transferencia de información acerca de la fiabilidad de los

componentes, de modo que se puedan acortar los tiempos en la mejora de costes y

prestaciones. La puesta en marcha de instalaciones de prueba de componentes que

permita una adecuada caracterización de su probabilidad de fallo, mejorará la fiabilidad

de los componentes clave del sistema de conversión de energía. Es fundamental que la

cadena de suministro trabaje conjuntamente para garantizar una mejora continua e la

fiabilidad.

Monitorización y Control

La necesidad de seguimiento y control de los equipos es común a todos los ámbitos de

la ingeniería y la tecnología. La detección a tiempo de fallos es extremadamente

importante, especialmente en sistemas con altos costes de instalación, operación y




69

mantenimiento (O&M). El monitoreo puede estar asociado con tres aspectos: el

dispositivo, los recursos y el medio ambiente.

La monitorización del dispositivo abarca la integridad física del dispositivo así como la

cantidad y calidad de la energía producida, utilizándose la información recogida por el

sistema de monitorización para planificar las acciones de O&M y, como soporte de los

sistemas de control. De este modo es posible tener información periódica sobre la

situación estructural de los diversos componentes y planificar así las acciones de

mantenimiento. Incluso es posible realizar un adecuado mantenimiento preventivo,

reduciendo así el riesgo de daños a otras partes y un excesivo tiempo improductivo.

Algunos de los aspectos más importantes a ser monitorizados son la tensión en los

elementos del dispositivo, las fuerzas y el estado de conservación del sistema de

fondeo, la calidad y condición del aceite usado o el estado de los componentes

eléctricos.

En general, los sistemas de control persiguen tres objetivos:

Captura de energía: El objetivo es maximizar la captura de energía

incluso en condiciones no ideales, lo que puede conseguirse cambiando la

geometría del dispositivo, su alineación en relación con el recurso o cambiando

la configuración de conversión de la energía.

Cargas mecánicas y de fatiga estructural: El objetivo es evitar el exceso

de carga mecánica en el dispositivo, así como mitigar la carga de determinadas

frecuencias para evitar la resonancia.

Calidad de la energía: Estos sistemas están diseñados para asegurar que

la energía se produce de acuerdo a las normas de la red con respecto a la

frecuencia y el voltaje.

Uno de los retos principales de optimización del control de dispositivos está relacionado

con la posibilidad de usar dispositivos de energía marina en parques, en formación de

‘array’. Para ello existe aún considerable incertidumbre en cómo se comportará el

conjunto de dispositivos, para lo cual se requieren modelos y pruebas para investigar los

efectos de la disposición de los captadores en el array y los parámetros de

funcionamiento. La recopilación de datos de rendimiento también desempeñará un

papel cada vez más importante en la validación de los modelos computacionales. En la

actualidad, una importante fuente de incertidumbre para los desarrolladores de

dispositivos son las características del recurso marino en una localización particular. Por




70

ejemplo, si bien en teoría el flujo de las mareas es predecible, en la práctica los flujos de

marea locales pueden ser extremadamente complejos, turbulentos, y multi-

direccionales. Hay ciertas fases del ciclo de marea donde las corrientes complejas

podrían causar fatiga excesiva a un dispositivo incorrectamente localizado. Existe la

necesidad de reunir y validar los datos para caracterizar el recurso, y para evaluar la

metodología de control óptimo con el fin de garantizar una salida óptima. Los

dispositivos de captación de energía requieren algoritmos de control más o menos

sofisticados que les permitan maximizar la generación en diferentes condiciones, y esta

es una actividad en la que hay margen para mejoras importantes sin necesidad de

cambios costosos en el propio dispositivo.

Los sistemas de control necesitan adecuada información del recurso, por lo que es

necesaria una adecuada monitorización de éste. Por ejemplo en el caso de energía de

las olas, los sistemas de control requieren información acerca de las olas incidentes con

el fin de predecir la fuerza de excitación que va a ser sometido, predicciones que son

típicamente del orden de unos pocos segundos, por lo que el reto es ampliar esta

capacidad predictiva. Por otro lado la caracterización de los recursos marinos existe a

nivel mundial y regional pero los datos más específicos requeridos para cada sitio es

limitada, lo que requiere mejoras en el conocimiento y modelización del recurso que

permita mejorar su caracterización a escala local.

Finalmente cabe decir que los estudios de impacto ambiental son una parte importante

también en la fase de planificación de los proyectos de energía marina. Sin embargo,

muchos de los efectos son desconocidos o difíciles de cuantificar dado el temprano

estado de desarrollo de tecnologías y modelos.

Conexión

La conexión de los dispositivos marinos a la red da lugar a una serie de desafíos que

deben también ser tenidos en cuenta. Los dispositivos que se retiran a otra ubicación

para su mantenimiento requieren un método que permita su conexión y desconexión.

Existen conectores que permiten la conexión y desconexión bajo el agua, pero éstos

son caros y presentan escaso margen para la reducción de costes. Además los cables

requieren una protección adecuada con el fin de garantizar su fiabilidad en las

condiciones difíciles en que deben trabajar.




71

A largo plazo, los dispositivos marinos tenderán a estar situados lejos de la costa para

aprovechar los recursos disponibles. Habrá un cierto equilibrio entre los ingresos

adicionales a partir de la mayor energía generada y los costes adicionales de las

conexiones de cables más largos a la orilla. Existen opciones actualmente en

investigación para la energía eólica marina, tales como cables HVDC, que pueden ser

apropiados para el despliegue a gran escala de las energías marinas.

Por otro lado cuando un cierto número de dispositivos están conectados entre sí en un

parque, se requerirá la apropiada subestación eléctrica para conectarse a la red. La

evolución de las subestaciones en alta mar para los parques eólicos serán relevantes,

pero se necesitarán diseños de subestación más específicos para otros tipos de

dispositivos.

El proceso de instalación constituye una proporción significativa de los costes de

inversión de cualquier instalación de energía marina. Muchos dispositivos requieren una

serie de operaciones con barcos y equipos especializados para instalar los cimientos y

después la estructura del dispositivo. Los desarrollos que reduzcan el número y

duración de las operaciones de instalación reducirán los costes generales y mejorarán

la economía y la rentabilidad del proyecto. Los dispositivos de corrientes de marea se

enfrentan además al reto de su instalación en un agua que en ciertos casos se mueve

rápidamente, por lo que tendrán una ventaja las operaciones que puedan realizarse en

la reducida ventana de tiempo que las mareas permiten.

Sistemas Eléctricos Offshore

El principal reto en relación al sistema eléctrico en un futuro próximo es ser capaz de

evacuar grandes cantidades de energía de parques situados a gran distancia de la

costa. El actual sistema de evacuación en corriente alterna (AC) presenta dificultades

debidas a las limitaciones de capacidad de evacuación producidas por la potencia

reactiva. Una alternativa para superar estas limitaciones es el uso de alta tensión en

corriente continua (HVDC) que no presenta potencia reactiva. Esta es una gran ventaja

sobre los sistemas de corriente alterna, posibilitando el transporte de grandes

cantidades de electricidad a través de largas distancias sin la necesidad además de

dispositivos de compensación, pues la alta tensión reduce las pérdidas por disipación de

Joule. Sin embargo, la desventaja de estos sistemas es que prácticamente todas las

redes eléctricas utilizan sistemas de transmisión de corriente alterna. Por lo tanto, es

necesario recurrir a convertidores AC/DC para la interconexión con la red.




72

Corrosión

La corrosión del medio marino supone un reto vinculado a la fiabilidad y vida útil de los

componentes. El medio marino aumenta los daños producidos por la corrosión.

Además, el fouling, que supone la incrustación de microorganismos, algas o crustáceos,

puede aumentar el problema de la corrosión de las superficies en contacto con el agua

marina. La industria naval ha utilizado tradicionalmente pinturas antifouling con objeto

de reducir costes asociados a este tipo de corrosión. Durante décadas se utilizaron una

serie de biocidas cuya prohibición por motivos medioambientales ha obligado a realizar

una búsqueda de alternativas menos tóxicas. Actualmente se usan soluciones basadas

en recubrimientos de matriz soluble, pinturas antiadherentes, polímeros

autopulimentantes y sistemas eléctricos y electromagnéticos, si bien existe una

considerable actividad de investigación en micro y nano partículas para la mejora de la

protección frente a la corrosión y el fouling.

Operación y Mantenimiento

Las herramientas que permitan una adecuada modelización de la fiabilidad de los

dispositivos pueden mejorar la eficiencia de su operación y mantenimiento. La correcta

puesta en marcha del dispositivo incluyendo la puesta a punto de los sistemas de

control es un paso importante para asegurar que funcione según lo previsto. El apoyo

de la financiación pública puede ser necesario para permitir a los desarrolladores los

recursos adecuados para completar esta importante etapa antes de pasar a la

explotción comercial. Los costes de operación y mantenimiento de un dispositivo

dependen en buena medida de su fiabilidad y accesibilidad. El reto para los diseñadores

es asegurar que el dispositivo tenga suficiente redundancia sin costes excesivos. Los

dispositivos que pueden ser recuperados y reparados a bajo coste y en una amplia

variedad de condiciones de meteorología oceánica tendrán una ventaja significativa en

relación a los costes de operación.

4.1.2. RETOS DE LA ENERGÍA EÓLICA OFFSHORE

La eólica marina puede aprovecharse del desarrollo en tierra ya que existe tecnología

(fundamentalmente aerogeneradores) disponible y probada. Sin embargo, el

aprovechamiento eólico en el mar tiene sus propios retos, el principal de los cuales es la

reducción de costes dado que la eólica marina lleva asociadas unas necesidades

logísticas añadidas.




73

Todas las previsiones de crecimiento de la eólica marina existentes dependen de que la

industria sea capaz de reducir costes hasta aproximadamente 120 €/MWh para 2020 o

en su defecto afrontar su declive como una tecnología no competitiva. De forma

simplificada los costes asociados a la electricidad generada por una instalación eléctrica

pueden dividirse en costes de inversión (CAPEX – Capital Expenditures) y costes de

operación (OPEX – Operational Expenditures). En la eólica offshore el CAPEX, además

se ser unas tres veces superior al de tierra, tiene una distribución diferente en

comparación con la eólica terrestre:

Figura 4.2. Comparativa de la distribución de costes entre eólica onshore y offshore.

(Fuente Iberdrola)

Una de las principales diferencias es que el peso de los aerogeneradores en la eólica

terrestre llega al 70% de todos los costes de inversión mientras que en mar es del 40%

o incluso inferior. La otra gran diferencia es el coste de los trabajos preparatorios y de

instalación (sobre el 11% en tierra frente a casi el 40% en mar).

En cuanto a los costes de operación, las cifras varían mucho en función de la ubicación,

tamaño y otras características del parque. No hay suficientes parques eólicos offshore

en funcionamiento como para tener cifras comparativas con los parques eólicos

terrestres. En cualquier caso, su importancia en el coste de la energía es muy alta,

pudiendo llegar a suponer un tercio del coste final de la electricidad generada.

A modo informativo, se mencionan a continuación algunas cifras de costes obtenidas a

partir del documento “A guide to an offshore wind farm” de The Crown Estate en el cual

se consideran todas las fases y elementos que hay que tener en cuenta en el desarrollo

de un parque eólico marino de 500MW, con información orientada al caso del Reino

Unido.




74

Planificación y permisos: 72 M€ (alrededor del 4% del CAPEX)

Aerogeneradores: 720 M€ (7,2 M€ por turbina de 5MW)

Cimentaciones (fabricación): 360 M€ (depende mucho de la profundidad)

Subestación (offshore + onshore): 144 M€

Export cable: 72 M€ (depende de distancia a costa)

Inter-array cable: 24M€

Instalación y puesta en marcha (incluye cables, cimentaciones,

subestación, turbinas, ensamblaje en puerto): 480 M€

Operación y mantenimiento: Entre 30 y 48 M€ al año

Estos costes hacen que el desarrollo de parques eólicos marinos requiera aún de

incentivos que compensen sus costes extras respecto de otras instalaciones de

generación eléctrica. Para que se convierta en una tecnología competitiva, la eólica

offshore necesita innovaciones tecnológicas en toda la cadena de valor (no solo en los

aerogeneradores ya que como se ha mencionado antes hay otros elementos de coste

muy importantes).

La reducción del coste por MW implica una serie de retos tecnológicos que se resumen

brevemente a continuación.

el incremento de potencia de los propios aerogeneradores, aspecto clave

para reducir el coste de la electricidad generada,

las cimentaciones donde se instalan los aerogeneradores, con el reto de

ir a profundidades cada vez más elevadas,

la logística derivada de los procesos de fabricación e instalación y las

actividades de operación y mantenimiento,

La evacuación eléctrica desde el punto de generación hasta los puntos de

consumo, incluyendo cables submarinos, subestaciones offshore y los sistemas

HVDC cuando la distancia a la costa no permite la conexión en alterna.




75

Figura 4.3. Actividades y equipamiento de un parque eólico marino [13]

Los proyectos de eólica offshore necesitan procesos largos e inversiones relevantes,

incluso antes de conocer su viabilidad. Un proyecto típico puede durar entre 8 y 10

años, siendo necesarios entre 4-6 años para la toma de decisión de inversión. Este

proceso inicial en el que se evalúa el emplazamiento, se obtienen los permisos y se

realiza un diseño del parque y de sus componentes suele supone aproximadamente un

5% del total de inversión.

Según la figura anterior, en un parque eólico marino se necesita equipamiento y

servicios que no se dan en tierra como por ejemplo cimentaciones, subestación

offshore, estudios geofísicos marinos, cables submarinos, barcos especiales o personal

cualificado para trabajar en el mar.

La decisión de inversión en un parque eólico marino lleva consigo largos procesos de

estudio y valoraciones económicas, y durante su construcción deben afrontarse una

serie de retos específicos que se describen a continuación:

1. Planificación y permisos: cubre el proceso hasta que se cierra la

financiación y se obtienen los permisos. En esta fase hay que realizar el

siguiente tipo de tareas:

– Estudios de impacto medioambiental, incluyendo flora y fauna

(especial atención merecen los mamíferos marinos), afección a la costa,

impacto de los elementos en tierra.

– Interferencias con la actividad humana, como por ejemplo:

actividad portuaria, pesca, transporte marítimo o turismo.




76

– Medida del recurso y estudios meteorológicos: el conocimiento del

recurso eólico es fundamental para tomar la decisión de ir adelante con

un parque eólico y para ello hay que hacer campañas de medida de

viento, para lo cual es necesario instalar torres de medida de viento en el

mar. Por otra parte, no solo hay que conocer el recurso eólico sino

también cuáles son las condiciones meteorológicas de la zona (en

particular oleaje y corrientes) que puede afectar al proceso de instalación

o posteriormente al mantenimiento.

– Estudios geofísicos y del fondo marino. Resulta fundamental

conocer cómo es la geofísica de la zona y en particular el tipo de fondo

marino, no solo donde se instalarán las turbinas sino también para

determinar la ruta de los cables eléctricos.

– Estudios técnicos y diseño: Una vez conocidas las características

fundamentales de la zona donde se instalará el parque (recurso, fondo,

condiciones meteorológicas…) se podrá realizar un diseño básico de los

elementos fundamentales (aerogenerador, tipo de cimentación, ruta de

los cables, subestación, medios de instalación…). Es posible que para

concretar algún elemento del diseño sea necesario realizar algún estudio

técnico adicional.

2. Instalación. El proceso de instalación hay que tener en cuenta los

siguientes componentes:

– Cableado: por una parte está la instalación del cable que lleva

toda la electricidad generada por el parque a tierra, comúnmente

denominado export cable y por otra parte la instalación de los cables que

interconectan todos los aerogeneradores hasta un punto común,

llamados inter-array cables.

– Subestación en mar: es el elemento que concentra y acondiciona

la electricidad producida por los aerogeneradores. Suele ser un elemento

de tamaño considerable cuya instalación requiere de medios especiales.

– Cimentaciones: es la base que soporta al aerogenerador. Su

forma e instalación depende fundamentalmente de la profundidad y del

tipo de fondo, tal y como se ha descrito en el capítulo 3.




77

– Aerogeneradores, es el elemento principal en un parque eólico. Se

instalan sobre la cimentación normalmente por componentes (torres,

góndola y palas) para lo cual son necesarios barcos especiales.

– Puesta en marcha hasta alcanzar funcionamiento “nominal”:

después de instalar todos los elementos, es necesario un tiempo para

poner en marcha el parque en el que el objetivo es encontrar un

funcionamiento según lo previsto.

3. Operación y Mantenimiento. El objetivo es conseguir un rendimiento

óptimo durante toda la vida del parque con el fin de reducir el coste de la

electricidad generada. A continuación se enumeran algunas características de

las actividades de operación y mantenimiento:

– Disponibilidad total (24 horas al día / 365 días del año) incluyendo

la respuesta a situaciones inesperadas.

– Hay ciertas actividades que se pueden programar con antelación

pero otras surgen de la respuesta a fallos o incidentes no esperados.

– Requiere la transferencia regular de personal a los

aerogeneradores y la subestación

– El elemento fundamental a operar y mantener es el aerogenerador

pero hay también otros elementos clave como son la subestación o los

cables eléctricos.

– Para optimizar la operación y el mantenimiento de un parque

eólico en el mar es clave conocer las condiciones meteorológicas de la

zona y tener predicciones meteorológicas lo más precisas posibles.

4. Desmantelamiento: no hay que olvidar que tras la vida útil del parque hay

que considerar una etapa de desmantelamiento en la que se tratará de dejar la

zona ocupada en unas condiciones similares a las que estaba antes de su

instalación.

Según un Estado del Arte de la eólica marina en el Norte de Europa, elaborado por

Ecofys, en el que se proporcionan datos relativos a la duración de cada una de las




78

pasos anteriores, se concluye que el tiempo medio desde la fase de viabilidad hasta la

de operación puede rondar los 10 años. Los datos se han obtenido a partir de trece

parques marinos, por lo que basándose en ellos, se puede saber la duración que suele

tener cada etapa. La fase de viabilidad del proyecto, en donde se define la ubicación del

parque y donde se realizan los estudios de medición del recurso, suele durar entre uno

y cinco años. Las etapas de aprobación, aceptación de la construcción, obtención de

permisos, y estudios medioambientales suelen ocupar entre tres y catorce años. Este

valor tan dispar depende del parque y del país, ya que el máximo número de años

empleados en esta fase, en parques que estén ya operativos, ha sido ocho años. La

fase de instalación es la más corta, siendo lo normal tardar entre uno y tres años.

Para la construcción de un parque eólico marino hay que tener en cuenta más

componentes y sistemas que los que aparecen en los parques en tierra: cimentaciones

cables submarinos, subestación offshore, barcos y otros medios de instalación. Todo

ello sin olvidar el elemento principal, como son los aerogeneradores. A continuación se

hace un repaso de los componentes más relevantes.

Cimentaciones

La fijación y estabilidad del aerogenerador al fondo marino presenta considerables retos

relacionados con su coste de construcción e instalación en función de tipo de terreno del

lecho marino de que se trate, profundidad y distancia a costa. Para ello existen

diferentes tipos de soluciones con sus ventajas e inconvenientes. Los diferentes tipos de

estructuras utilizadas para soportar los aerogeneradores son estos, como se han

descrito ya en el capítulo 3:

Cimentaciones de Gravedad

Monopilotes

Cámaras de succión

Trípode

Jacket/Truss

Monopilote con tirantes

Instalación y logística: barcos

Las estructuras empleadas en la eólica marina surgen de la industria del gas y petróleo

y su fabricación ha traído consigo el establecimiento de gran número de instalaciones




79

especializadas en toda Europa. El mercado eólico marino ha fomentado la creación de

buques jack-up para asegurar el rápido montaje de las turbinas de forma eficiente.

El mercado actual de las turbinas eólicas marinas requiere de alto número de buques

especializados para distintos proyectos. Un elemento crítico del suministro será la

disponibilidad de buques para facilitar la instalación del gran número de turbinas

necesarias para alcanzar el objetivo europeo, además de la necesidad de ubicar sus

correspondientes subestructuras y cables, ya que la mayoría de los buques

especializados son usados por el mercado petrolífero.

El desarrollo de los buques encargados en la instalación de las turbinas se basa en los

siguientes factores:

Tamaño de la turbina: mayores turbinas requieren de mayores tamaños

de buques.

Profundidad del agua: a mayor profundidad más caros y más grandes

serán los buques.

Distancia a la costa: cuanto más lejos esté el emplazamiento de las

turbinas del puerto de suministro, y mayor sea la capacidad de las turbinas,

mayor serán los costes de transporte.

La tendencia actual es la de producir grandes barcos capaces de transportar varias

turbinas ya pre-montadas.

Los buques que se emplean para la instalación de las turbinas son las barcazas jack-up.

Consisten en una plataforma móvil que se apoya sobre el fondo por medio de varias

patas, normalmente tres o cuatro, aunque existen barcazas con mayor número de

patas. Para desprenderse del fondo y poderse ubicar en otras zonas, las patas se

pueden elevar, y entonces son remolcadas hasta la posición deseada, aunque las hay

también autopropulsadas.

A parte de estos buques, se utilizan también barcos-grúa que disponen de sistemas de

posicionamiento dinámico más sofisticado. En este caso la posición a la hora de instalar

las máquinas o las cimentaciones no se fija gracias al apoyo de las patas, como en el

caso de los jack-up, sino mediante sofisticados sistemas de posicionamiento basados

en GPS y propulsores.




80

Además de los barcos para la instalación de las cimentaciones y las turbinas, también

son necesarios barcos para realizar las campañas batimétricas y geofísicas, barcos

especializados para la instalación de los cables y barcos para el acceso en las fases de

Operación y Mantenimiento.

Operación y Mantenimiento

La operación y el mantenimiento de los parques eólicos offshore tienen mucha

importancia ya que son clave a la hora de garantizar un rendimiento óptimo durante toda

la vida del parque y por tanto afectan directamente al coste de la electricidad generada.

Por un lado pueden mejorar la disponibilidad del parque, entendida como el porcentaje

de tiempo que una turbina está lista para producir energía cuando hay viento. En tierra

la disponibilidad puede llegar al 98%, pero en el mar se reduce al 90 % debido al tiempo

perdido por limitaciones de acceso. Por otra parte la operación y el mantenimiento

pueden mejorar el factor de carga (medida de la energía producida como un porcentaje

de la máxima teórica que podría producirse si todas las turbinas funcionan a plena

potencia). En el mar puede el factor de carga puede ser de hasta un 40-50% en

comparación con el 20-30% en tierra.

A la hora de establecer las características principales de las actividades de operación y

mantenimiento hay que tener en cuenta que su objetivo es optimizar la disponibilidad y

el factor de carga (y por tanto reducir costes):

Son actividades a desarrollar 24 horas al día / 365 días del año

incluyendo la respuesta a inesperados

Hay actividades que pueden programarse y otras que se tienen que

realizar a respuesta de situaciones de fallo o emergencia.

Suelen requerir la transferencia regular de personal a los

aerogeneradores y la subestación

Normalmente el elemento clave a operar y mantener es el aerogenerador,

pero también hay que tener en cuenta incidentes y fallos en otros elementos

como puede ser la subestación offshore, sensores o sistemas de

monitorización.




81

Es fundamental conocer las condiciones meteorológicas tanto para

programar actividades de operación y mantenimiento como para dar respuesta

a incidencias.

Operación

La operación de un parque eólico offshore tiene como principal objetivo supervisar el

rendimiento del parque y planificar los programas de mantenimiento, además de

gestionar la relación cliente-proveedor. A continuación se describen algunas actividades

típicos de mantenimiento:

Una sala de control en tierra proporciona acceso a información detallada

a través de sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) tanto

en tiempo real como de datos históricos.

La revisión de los datos SCADA y la monitorización de las condiciones de

funcionamiento ayudan a programar tareas de mantenimiento preventivo.

Además de sistemas remotos tipo SCADA, los parques eólicos son

supervisados mediante inspecciones in situ, incluyendo la infraestructura

submarina.

Es muy importante llevar a cabo una monitorización ambiental para

comprender el efecto del parque eólico en el medioambiente.

En situaciones de emergencia cada turbina tiene un refugio de

emergencia y provisiones en caso de que la tripulación se quede atrapada en la

turbina. Además cada aerogenerador o el parque en su conjunto se puede

apagar de forma remota para permitir acceso seguro por los servicios de

rescate.

Mantenimiento

Las actividades de mantenimiento tienen como objetivo proporcionar observación

rutinaria, servicio y reparación. Los elementos clave sobre los que realizar tareas de

mantenimiento son los aerogeneradores, la subestación marino y los cables

submarinos, además de todos los sistemas de medida y monitorización.

El mantenimiento puede ser programado o por avería. El mantenimiento programado es

clave para mejorar la fiabilidad y rendimiento de las turbinas e incluye inspecciones




82

visuales de las palas y del resto de componentes claves, control hidráulico de todas las

juntas, control de los niveles de lubricación, limpieza, reposición de las piezas gastadas,

etc. Suele realizarse en verano, cuando el promedio de acceso es mejor y la pérdida de

producción por la parada es menor. La mayoría de los fabricantes dan 5 años de

garantía. Fuera de este plazo, es el propietario del parque el que se encarga de

contratar los servicios necesarios a una empresa especializada.

A la hora de realizar tareas de mantenimiento es muy importante conocer las ventanas

climatológicas temporales de la zona que permitan llevar a cabo las tareas de

mantenimiento (programado o por avería). Las condiciones meteorológicas

determinarán el tipo de transporte a utilizar, lo que puede tener influencia en los costes.

Existen varias bases de datos que recogen datos meteorológicos acerca del oleaje y de

viento (ejemplo: Measuring Network North Sea)

4.1.3. RETOS DE LA ENERGÍA DE OLAS Y CORRIENTES MARINAS

Además de los retos generales de las energías marinas ya descritos, cabe hacer

algunos comentarios para los casos específicos de la energía de las olas y de las

corrientes marinas [2].

Energía de las olas

Existen algunos retos específicos en el desarrollo de este tipo de tecnología. Las

barreras tecnológicas principales están asociadas a los propios convertidores y sus

tecnologías de apoyo, tales como los cables de fondeo, cables eléctricos submarinos y

conectores eléctricos, así como buques de apoyo. Estos retos tecnológicos están

relacionados en último término con la supervivencia, la fiabilidad y el coste de la

inversión por la energía producida.

Al tratarse de una tecnología todavía en fase de investigación previa a la

comercialización, todos los costes asociados a la instalación, operación y

mantenimiento son altos en comparación con la mayoría de las tecnologías renovables

más maduras. Sin estrategias para apoyar proyectos específicos de I+D y demostración

de energía de las olas, las inversiones se desplazarán a otras fuentes de tecnología

económicamente más atractivas.

Hay algunos estudios realizados sobre los impactos medioambientales de los

dispositivos de energía de las olas, pero hay todavía un alto grado de incertidumbre




83

debido a las diferentes tecnologías y localizaciones empleadas, así como en relación a

si se usa un dispositivo único o un parque, y la dimensión de éste. Sin embargo, estos

estudios indican que los impactos ambientales negativos asociados a la explotación de

la energía de las olas son pequeños en comparación con los efectos positivos,

incluyendo las emisiones CO2 evitadas, y probablemente sólo pueden condicionar la

densidad de dispositivos de energía de las olas, en términos de número de dispositivos

por kilómetro cuadrado. Dentro de estos impactos negativos sobresale la influencia

sobre la circulación costera, el ruido y los campos electromagnéticos asociados a las

líneas de tensión, aunque este último aspecto no parece ser alarmante según muestra

la experiencia en los parques eólicos marinos.

Energía de las Corrientes Marinas

La tecnología para la contención de las mareas ya está madura, y tiene muchos puntos

en común con la tecnología usada en el aprovechamiento de energía hidroeléctrica. Por

lo tanto, actualmente la barrera principal para su desarrollo son los altos costes

asociados a su construcción, el tiempo de construcción y los impactos ambientales

asociados. La construcción de una presa en un estuario afecta a la amplitud y duración

de las mareas, con posibles consecuencias en hábitats de aves y peces, en la salinidad

del agua y en los movimientos de sedimentos. Los sistemas de lagunas marinas y

costeras se encuentran todavía en una etapa temprana de desarrollo, por lo que aún

necesitan financiación de I + D para mantener el nivel de desarrollo requerido.

En el caso de la utilización de la tecnología de corrientes marinas, como en el caso de

energía de las olas, hay aún una serie de retos específicos para su desarrollo

relacionados con la instalación de los dispositivos, la conexión de red y transmisión de

electricidad, operación y mantenimiento, los conflictos de uso del espacio marítimo, la

financiación, la localización de los recursos y los impactos ambientales asociados de

esta tecnología.

Los principales retos en la instalación de dispositivos de corrientes marinas son los

sistemas de amarre, el proceso de instalación y la supervivencia de los materiales

utilizados.

Al igual que en todas las tecnologías offshore, la conexión a tierra puede requerir el uso

de cables eléctricos a través de grandes distancias, y por ello la necesidad de utilizar de

alta tensión y transformadores DC/AC como se ha descrito ya anteriormente. Incluso




84

pueden ser necesarias alteraciones en la red existente con objeto de incorporar la

electricidad producida en mar abierto.

El mantenimiento de estos dispositivos requiere de visitas a los lugares de instalación, a

menudo lejos de la costa y los puertos. Los dispositivos han de ser lo más fácilmente

accesibles, así como su montaje/desmontaje para permitir rápidas operaciones de

mantenimiento. Es necesario que los dispositivos estén diseñados para reducir en lo

posible la frecuencia y dificultad de su mantenimiento.

La especificidad de la ubicación del recurso de corrientes de marea es también una

dificultad para su desarrollo. Sólo unos pocos lugares en el mundo poseen las

características necesarias en las que la velocidad de la corriente es lo suficientemente

elevada como para poder ser aprovechada y suficientemente rentabilizada.

En cuanto a los impactos ambientales, estos son mucho más bajos que los de los

sistemas de contención de mareas, aunque menos conocidos ya que es una tecnología

reciente. El impacto principal será en la fauna marina debido a la posibilidad de

colisiones con las turbinas de los dispositivos.

En el caso de las corrientes oceánicas, una barrera importante es el estado de bajo

desarrollo de la tecnología asociada, así como la todavía elevada incertidumbre sobre el

recurso disponible. Estas corrientes presentan menores velocidades que las corrientes

de marea, lo que significa que requiere más desarrollos tecnológicos para aprovechar

suficientemente esta forma de energía. La gran distancia de la costa en la mayoría de

estas corrientes es otro factor limitante, lo que implica mayores costes de instalación y

de operación y mantenimiento.

4.1.4. RETOS DE LAS INSTALACIONES DE PARQUES

Los dispositivos de energía marina son generalmente de diseño modular, de modo que

cada dispositivo utiliza solamente una pequeña parte del potencial de recurso disponible

en un sitio determinado. El camino obvio para la mejora de su rendimiento es el

despliegue de dispositivos en forma de matriz o array configurando parques de energía

marina. Estos proyectos pueden consistir en múltiples convertidores de energía marina,

conectados por cables submarinos que proporcionan un medio de transmisión de la

energía eléctrica a un transformador común o conexión a la red, del modo en que

funcionan los parques eólicos actualmente.




85

Las configuraciones que involucran múltiples dispositivos proporcionarán la ruta hacia la

comercialización y el crecimiento de la industria de energía marina, puesto que pueden

beneficiarse de la economía de escala, reduciendo el coste unitario.

El paso de un solo dispositivo a parques representa un reto considerable en relación a

la práctica actual en el desarrollo y demostración de prototipos. Actualmente se sabe

poco sobre la forma en que cada dispositivo va a interactuar con la estela de los

dispositivos adyacentes, o el impacto ecológico combinado de un parque. La

optimización estructural de los arrays, la colocación de los dispositivos individuales, la

operación y el mantenimiento de múltiples dispositivos, las interacciones mutuas en el

rendimiento del dispositivo y del conjunto, así como el impacto ambiental representan

actualmente retos para la investigación. Además, existe la necesidad de una continua

reducción de costes y riesgos para facilitar el aumento de la confianza de los inversores.

En cuanto a las configuraciones de conexión a la red, la transferencia de conocimientos

del sector de la energía eólica marina puede desempeñar un papel importante. Se han

identificado varios problemas de conexión eléctrica por ejemplo en el Protocolo

Equimar. Dentro de un parque el número máximo de dispositivos que se pueden

conectar es limitado debido a la caída de tensión en el cable y su capacidad máxima de

evacuación. Hay varias opciones disponibles para la distribución de dispositivos, cada

uno de los cuales darán lugar a diferentes niveles de pérdida de potencia, fiabilidad y

coste total.

La disposición final de los dispositivos estará determinada por las condiciones

geotécnicas y recurso disponible en el lugar, lo que tendrá un impacto en la

infraestructura eléctrica. Si bien es deseable minimizar la infraestructura eléctrica total

requerida para un parque, hay que señalar que la interacción hidrodinámica podría

conducir a reducciones en la potencia de salida del conjunto.

Las configuraciones eléctricas de los parques de energía eólica marina podrían ser de

ayuda en el diseño de parques de otros tipos de dispositivos de energía marina. La

conexión a la red requerirá transformadores y generadores y baterías de seguridad.

Además se requerirán subestaciones eléctricas offshore, lo que implica mayor

complejidad y coste para el proyecto.




86

Figura 4.4. Parques de energía marina [14] y [1] OES, Ocean Energy Systems. Annual Report, 2011.

[2] OTEO, Observatório Tecnológico para as Energías Offshore. Estado da Arte,

Relatório 2012.

[3] Ocean Power Technologies

El espaciado de los dispositivos será una cuestión cada vez más importante a medida

que los parques aumentan en tamaño. Aunque muchos dispositivos de la energía

marina se encuentran en una fase de demostración, muy poca investigación se ha

llevado a cabo en relación a la interacción física entre los dispositivos cercanos, más

allá de un nivel computacional.

A pesar de este enfoque en las interacciones hidrodinámicas, se ha argumentado que la

interacción hidrodinámica podría no en todos los casos ser un problema importante,

siempre y cuando los dispositivos están espaciados a una distancia suficientemente

grande.

Otros aspectos podrían ser más restrictivos que la hidrodinámica en términos de

configuración de la matriz, en particular, los relacionados con el diseño de amarres y las

fundaciones, las infraestructuras de conexión eléctrica, y los requisitos planteados por

los barcos para la instalación y operación.

El trabajo en el proyecto EquiMar sugirió que el factor limitante para el espaciamiento de

las matrices será la necesidad de acceso de los buques de instalación y mantenimiento,

más que los efectos entre dispositivos.

La implementación de parques requiere un esfuerzo significativo en una serie de áreas

clave para permitir el aprendizaje y la progresión de la industria a una fase más madura.

Estas zonas pueden resumirse así [15]:




87

Disposición del array

Arquitectura del Sistema Eléctrico

Fondeos y Fundaciones

Logística

Control y Operación

Disposición del array

El principal reto está en la optimización del diseño del array, principalmente en referente

a la disposición relativa de los dispositivos y el establecimiento de reglas de diseño y

mejores prácticas.

Si se es capaz de desarrollar una serie de reglas de diseño de arrays adecuadas, esto

evitaría un complejo análisis completo CFD (Computer Fluid Dynamics) proporcionando

los parámetros necesarios básicos para un diseño adecuado del array. Un enfoque

similar se elegirá para las matrices de energía de las olas, donde se puede demostrar

que, por cierto espaciamiento dispositivo, la interacción hidrodinámica se puede

despreciar.

Arquitectura del Sistema Eléctrico

La arquitectura del sistema eléctrico para las matrices requerirá un diseño muy diferente

a los observados en los dispositivos de demostración individuales. Si bien el diseño del

parque puede ser similar al de los parques eólicos marinos existentes, los retos

inherentes en el entorno con relación a otros tipos de dispositivo, tales como altas

corrientes de marea o régimen de olas grandes, implica una complejidad añadida al

diseño, instalación y mantenimiento de la infraestructura eléctrica.

Además, debido al menor espaciamiento entre los dispositivos de energía del océano y

las diferentes condiciones que se encontrará, las conexiones dentro del array pueden

tener un aspecto muy diferente de las de un parque eólico marino.

Se están proponiendo tecnologías de transmisión de energía más eficientes para

parques offshore, como de alta tensión de corriente continua (HVDC) con convertidores

de tensión, y se prevé que esto juegue un papel importante en la expansión de la

energía marina durante la próxima década, con parques esperados de decenas de

dispositivos instalados en lugares a más de 100 km de la costa, así como sistemas

flexibles de transmisión de corriente alterna y redes inteligentes. Una herramienta de




88

diseño de arrays debe ser capaz de adaptarse e incluir las nuevas tecnologías cuando

estén disponibles.

Fondeo y fundaciones

Existe una amplia variedad de opciones de fondeo y fundaciones dentro del sector de la

energía marina, si bien no existe un consenso en torno al método de diseño óptimo del

sistema de fondeo para un array de dispositivos. El diseño de amarres y fundaciones

juega un papel esencial pues ha de permitir que los dispositivos puedan aprovechar el

recurso adecuadamente.

Los fondeos y fundaciones presentan un reto importante para la generación eficiente de

energía fiable y a un coste asumible, y en particular para el caso de parques. Es preciso

el desarrollo de herramientas de diseño y evaluación del sistema de fondeo para hacer

frente a los desafíos asociados a la instalación de parques comercialmente viables.

Estas herramientas deben permitir la reducción de las incertidumbres asociadas con el

rendimiento, la fiabilidad y el impacto ambiental del sistema de fondeo, permitiendo una

adecuada predicción de los gastos de capital (CapEx), los gastos operativos del ciclo de

vida (Opex), el tiempo de disponibilidad del sistema, y si ambientalmente resulta

aceptable.

Logística

Los aspectos logísticos del parque a lo largo de su ciclo de vida requieren una estrecha

relación con las diferentes áreas descritas anteriormente. Los barcos que se usan

actualmente para la instalación de muchos dispositivos de energía marina proceden del

sector del gas y el petróleo. Esto puede provocar grandes fluctuaciones en los precios

según la demanda de este sector. El desarrollo de determinadas capacidades en las

instalaciones portuarias cercanas a los parques ayudará en la logística de sus procesos

de instalación y mantenimiento. Dado que el sector de la energía marina está todavía en

sus etapas iniciales de desarrollo, no existe aún una cadena de suministro significativa

en el lugar para una eficiente planificación y ejecución de las instalaciones de parques.

A medida que el sector de la energía marina avanza desde su planteamiento actual de

prototipos individuales de pruebas hacia la comercialización y el despliegue de parques,

es fundamental que el enfoque de la cadena de suministro también pase de centrarse




89

en los dispositivos individuales y subsistemas a centrarse en arrays, así como la

optimización de la ubicación de los diversos componentes que conforman el conjunto.

Es preciso desarrollar herramientas de diseño que permitan analizar distintos métodos

de instalación, su impacto en el coste y los riesgos del proyecto, así como permitir a los

desarrolladores de proyectos especificar con precisión las necesidades de la

infraestructura en materia de puertos y barcos para toda la vida del proyecto.

Control y Operación

Existen diferentes planteamientos para la optimización del control y operación de

sistemas para parques eólicos marinos en fase de desarrollo y pruebas, por ejemplo los

enfoques centrados en la optimización de la potencia de salida del parque de

aerogeneradores mediante la reducción de la potencia nominal para las primeras

turbinas para aumentar la potencia de las turbinas en la estela de las primeras, lo que

conduce a un aumento de la producción de energía del conjunto del parque.

Otros proyectos de investigación en el sector eólico marino tratan de optimizar la

operación y mantenimiento de los parques de aerogeneradores, especialmente

centrados en estrategias de mantenimiento basadas en la fiabilidad de los componentes

y el uso de monitorización de las condiciones. Esto permite que, en la medida de lo

posible, mover las actividades de mantenimiento hacia los periodos de menor afluencia

de energía y condiciones climáticas adecuadas. Este planteamiento requiere de

información adicional, suministrada por los sistemas de monitorización de condiciones y

de la salud estructural de componentes, acerca del tiempo de vida restante esperado

para estos. Además, la información acerca de los valores estadísticos para el tiempo

medio entre fallos (MTBF) de componentes específicos ha de servir para estimar el

momento más adecuado para reparar o reemplazarlos.

4.2. RETOS NO TECNOLÓGICOS

En cuanto a los retos y barreras no tecnológicas, existen diferentes aspectos que

pueden retrasar el desarrollo y aplicación de la tecnología así como del mercado

asociado. Estos por lo general son transversales a todas las formas de explotación y se

pueden resumir de la siguiente manera [13]:

Conflictos de uso

Financiación




90

Impactos ambientales

Barreras administrativas y legales

Hay varios usos posibles de las áreas marinas, muchas de ellas incompatibles con el

uso de dispositivos de energía marina. El espacio necesario para el uso de los sistemas

de aprovechamiento de energía del mar constituye sólo una pequeña fracción del

espacio marítimo disponible, por lo que se cree que los conflictos de uso pueden ser

gestionados para articular las diversas aplicaciones, incluyendo las áreas de pesca y

acuicultura, áreas de materiales de extracción y depósito de dragado, áreas recreativas

y de ocio, áreas de hábitat natural e interés arqueológico, áreas de interés militar,

canales de navegación, accesos a las vías marítimas y puertos, así como corredores y

tuberías o cables submarinos.

Las barreras administrativas y legales están relacionadas con el proceso de obtención

de licencia para los dispositivos de alta mar, así como con el acceso a la red eléctrica.

En este aspecto es importante destacar que mientras las barreras legales se pueden

superar sin coste apreciable y en relativamente poco tiempo si existe la voluntad política

de hacerlo, las barreras relacionadas con la conexión de red pueden implicar costes

elevados dado que no existen por lo general redes de energía submarina.

El aumento de la eficiencia, de la supervivencia en el mar y de la fiabilidad de los

dispositivos constituyen las principales prioridades de los tecnólogos y los proyectos de

I+D asociados. Esto se aplica a las tecnologías que están en fase comercial así como a

los que se encuentran aún en fase de demostración. Con la evolución de la tecnología

hacia sistemas más estandarizados, eficientes y con menores necesidades de

mantenimiento, las técnicas de aprovechamiento de energía marina se volverán más

económicamente viables y atractivas para los inversores, haciéndose así posible el

aprovechamiento de recursos marinos a escala mundial [16].

Planificación del espacio marítimo

El desarrollo de la energía marina depende de numerosos factores y de manera crucial

de la existencia de un marco regulatorio estable y claro. Aunque los mares y océanos

ofrecen enormes oportunidades para la innovación, el crecimiento y el empleo, la




91

promesa no se hará realidad sin una agenda dinámica a nivel nacional e internacional.

Por ejemplo la Unión Europea y sus estados miembros no sólo deben lograr sus

objetivos de 2020, sino también comprometerse con un objetivo para 2030 en relación a

las energías renovables. Esto contribuirá a incrementar la confianza necesaria para

todos los actores del sector, tanto industrial como financiero.

La ordenación del territorio es un elemento fundamental del marco regulatorio. Aumento

de la actividad dentro de las aguas marinas ha llevado a una mayor demanda de

espacio y, por tanto, la creciente competencia entre los usuarios del mar. El desarrollo

de las energías marinas en alta mar se encuentra a menudo atrapado entre usos

conflictivos, grupos de interés y las normas de los diferentes sectores y jurisdicciones.

Esto crea incertidumbre, aumenta los riesgos de retrasos o fracaso de los proyectos de

energía eólica marina y deteriora el potencial de crecimiento del sector. La decisión de

llevar a cabo la planificación del espacio marítimo (MSP) y dedicar zonas para

desarrollos de energía marina y los interconectores de electricidad, por lo tanto envía

señales positivas para la industria. La ordenación del territorio proporciona por tanto

estabilidad y confianza para los inversores, y ayuda a reducir los costes de los

proyectos.

Aunque unos pocos países europeos han definido zonas específicas para este uso, la

mayoría de ellos utiliza aún las normas de planificación marítima existentes, lo que

puede retrasar los proyectos considerablemente. Los retrasos en la planificación

marítima pueden aumentar los costes de la energía marina de manera significativa,

mientras que una eficaz planificación facilitaría los permisos y procedimientos de

concesión de licencias.

En el caso de la eólica offshore a altas profundidades, hay una clara necesidad de

simplificación de las licencias y procedimientos de permisos para reducir al mínimo los

plazos de implementación, sobre todo considerando el crecimiento esperado en los

proyectos marítimos profundos para los próximos años.

Siempre que existan las adecuadas ubicaciones para los parques marinos y una

cuidadosa planificación marítima, el entorno marino local puede beneficiarse de la

existencia de parques marinos en muchos aspectos. Por ejemplo, el arrastre excesivo

es una grave amenaza para los peces e invertebrados, sin embargo esta pesca de

arrastre estaría muy limitada dentro de los parques marinos. Por otro lado las partes de

los dispositivos de energía marina que están bajo el agua, como las fundaciones y




92

amarres, pueden servir como arrecifes artificiales, contribuyendo al crecimiento de flora

y fauna marina.

Retos para la comercialización y percepción del riesgo

La energía eólica offshore en aguas profundas está aún en una etapa temprana de

desarrollo. Un análisis realizado por el grupo offshore de la industria eólica en EWEA

indica que los costes de las subestructuras para aguas profundas deben ser

comparables en términos de LCOE con estructuras fijas existentes de profundidades de

50 metros.

Los inversores podrían seguir siendo reacios a invertir en aguas profundas, dado que

por lo general se sienten más cómodos con las bien conocidas fundaciones fijas de

aguas poco profundas. Hay una creciente percepción de riesgo a medida que crece la

magnitud y complejidad de los proyectos, por lo cual la industria offshore necesita

concentrar sus esfuerzos en incrementar la fiabilidad de la tecnología y minimizar los

costes para alcanzar la fase de comercialización, lo cual contribuirá a la reducción en la

percepción de riesgo por parte de la comunidad financiera. El apoyo público a la I+D en

este area es clave para el desarrollo de la tecnología offshore en aguas profundas. Los

proyectos de I+D no sólo deben facilitar el desarrollo de la tecnología, sino también

favorecer su demostración, permitiendo a los desarrolladores y empresas asociadas

probar en un entorno real las nuevas tecnologías antes de su despliegue comercial.

Los grandes proyectos de demostración con elevado coste y riesgo son difíciles de

financiar y es aquí donde es necesario que las administraciones públicas contribuyan.

Por ejemplo en la Unión Europea el programa NER300 es un buen ejemplo de

instrumento de financiación pública, gestionado conjuntamente por la Comisión

Europea, el Banco Europeo de Inversiones y los Estados miembros para apoyar la

demostración de la tecnología en alta mar y facilitar el paso hacia la comercialización.

En su primera convocatoria de propuestas se adjudicaron 64 M€ para la demostración

de dos estructuras eólicas flotantes en alta mar, WindFloat y VertiMed.

Estandarización y cooperación

Tratándose de un nuevo sector, no existen normas específicas para los diseños de

estructuras de energía marina en alta mar. Los organismos de certificación han

abordado el tema mediante el uso de estándares de energía eólica marina fija y del




93

sector del gas y el petróleo, lo cual se ha traducido en estructuras innecesariamente

sobredimensionadas, con un correspondiente aumento de costes. Es por tanto

necesario desarrollar estándares específicos para sistemas flotantes. Actualmente estas

normas están en desarrollo por parte de varios organismos, como Det Norske Veritas

(DNV), International Electrotechnical Commission (IEC) o la American Bureau of

Shipping (ABS). Además, es necesario incrementar la cooperación entre los diferentes

actores de la cadena de suministro, así como los vínculos entre la comunidad de I+D y

la industria. La intensa colaboración entre los diferentes actores, a veces competidores,

debe alentarse a través de proyectos de colaboración, de manera que el intercambio de

experiencias, lecciones aprendidas y datos sea beneficioso para todos.

Por ejemplo la European Wind Initiative (EWI), con el foro de I+D TP Wind, ha

demostrado ser una buena plataforma para contribuir a llevar a la industria eólica

offshore de aguas profundas a la siguiente etapa. Debido a que las subestructuras para

eólica offshore flotante tienen mucho en común con las subestructuras flotantes del

sector del gas y el petróleo, la transferencia de conocimientos entre ambos sectores

debe ser considerado y promovido.

Esta cooperación podría ser reforzada por las estrategias industriales de ámbito

nacional y regional, que debería considerar diferentes líneas de trabajo como la

innovación tecnológica, la expansión de la cadena de suministro o la financiación. Se

centraría en la reducción de costes y la integración de las recomendaciones técnicas,

económicas y políticas específicamente realizadas para la energía eólica offshore de

aguas profundas.




94

5. OPORTUNIDADES

5.1. PRODUCTOS Y SERVICIOS ASOCIADOS A LAS ENERGÍAS MARINAS

Aunque existen aún incertidumbres en relación con el coste de producir electricidad a

partir de la energía marina, se considera que el potencial de reducción de costes es

elevado y los beneficios socio-económicos que podría generar esta forma de energía

son significativos. Se considera que en el corto plazo el coste de los dispositivos

disminuirá significativamente de manera que la energía marina debería convertirse en

competitiva con relación a otras formas de generación a medio plazo. Existe por tanto

una gran oportunidad para crear las condiciones que permitan la explotación de la

energía marina en el futuro.

Actualmente el sector de la energía marina, y en particular la eólica, está creciendo

rápidamente y con ella está surgiendo ya un considerable mercado para diferentes

sectores industriales de productos y servicios de operación y mantenimiento. Los

principales productos y servicios relacionados con la energía marina, y donde se

esperan mayores oportunidades de negocio, se listan a continuación:

Productos

Productos de acero y otros materiales (prototipos, estructura)

Líneas de fondeo (cadenas de acero, polímeros)

Sistemas auxiliares de fondeo (anclas, cabrestante, fairlead)

Componentes eléctricos/electrónicos (convertidor, subestación, cables)

Repuestos para dispositivos y turbinas

Sistemas mecánicos

Sistemas de monitorización y control

Servicios

Diseño de dispositivos de energía marina e infraestructura asociada

Ensayos en canal de prototipos

Mantenimiento de turbinas

Mantenimiento de subestación onshore/offshore

Inspección y reparación de cable submarino




95

Inspección estructural de plataformas y dispositivos marinos

Reparación de fondeos y fundaciones

Información meteorológica y del recurso marino

Buques de transporte de equipos y mantenimiento

I+D+i relacionada con nuevos dispositivos, materiales y operaciones

relacionadas

Los diferentes productos y servicios vinculados a los proyectos de instalaciones de

energía marina pueden resumirse en el siguiente cuadro en el que se presentan los

diferentes eslabones de la cadena de suministro del sector.

1. I+D+i

2. Evaluación

de viabilidad.

Diseño

3. Fabricación 4. Instalación 5. Operación y

Mantenimiento

6.

Desmantelamiento

-Desarrollo

tecnológico

-Hidrodinámica

y recurso

-Geotecnia

-Evaluación de

riesgos

-Servicios

legales y de

seguros

-Licencias

-Desarrollo y

gestión del

proyecto

-Fabricación

del captador

-Estructura

offshore

-

Infraestructura

de evacuación

eléctrica

-Componentes

-Instalación de

estructura y

captador

-Cables

eléctricos

-Ensamblado

en puerto

-Logística

marina

-Recuperación

y reparación

-Monitorización

de recurso

-Evaluación del

funcionamiento

-Desensamblado

en entorno marino

-Limpieza

-Renovación

-Requisitos

legales

-Logística

Tabla 5.1. Cadena de suministro en el sector de energía marina [17]

Actualmente las mayores oportunidades de negocio y en las que se espera un mayor

crecimiento a corto plazo se centran en la eólica offshore, incluida la de aguas

profundas. La figura 5.2 ilustra los paquetes de contratos potenciales (anillo exterior) de

los actores clave. En todas las actividades relacionadas subyacen las cuestiones de

Salud, Seguridad y Medio Ambiente (HS&E) así como las consideraciones de formación

requeridas. Los colores del anillo exterior corresponden a las siete categorías de

actividades de operación y mantenimiento consideradas a modo de guía representativa,

si bien pueden variar considerablemente de un proyecto a otro. Con el fin de poner de

relieve las mayores oportunidades potenciales para las PYME, se ha indicado con una




96

banda alrededor de aquellos paquetes en los que se consideran que existen mayores

oportunidades.

Figura 5.2. Paquetes de contratos potenciales y actores clave (OFTO-offshore

transmission owners, OEM-original equipment manufacturers) [2]

Para aquellas empresas que están considerando las oportunidades de participación en

este mercado potencial, algunos mensajes clave se resumen a continuación.

El negocio de la energía eólica marina aún no ha alcanzado la madurez comercial, lo

cual significa que hay una amplia gama de enfoques técnicos y contractuales a

considerar. Esta complejidad aumentará a medida que las instalaciones se construyen

más lejos de la costa, lo que presenta tanto desafíos como oportunidades para

contratistas participantes ya establecidos y para nuevas empresas que puedan

establecerse en el sector. Se requerirá innovación y flexibilidad comercial para el éxito

en este mercado cambiante.

Las decisiones clave sobre el tamaño y la forma de operación para un proyecto

particular se realizan en un período de varios años que incluye la concesión de las

autorizaciones de construcción y la decisión de inversión financiera en el proyecto. Sin




97

embargo cuanto antes esté un proveedor involucrado en el proyecto, mejores serán sus

posibilidades de éxito comercial. Por otro lado, la posibilidad de ganar contratos en

proyectos ya establecidos no debe ser ignorada, dado que al expirar los períodos de

garantía de los equipos surgen posibilidades de entrada de nuevos proveedores.

Existen oportunidades para nuevos participantes industriales en varias áreas

especialmente cuando la práctica existente carece de madurez o es inadecuada para

futuros proyectos construidos más lejos de la costa y en los entornos más difíciles.

Áreas que requerirán mejoras respecto a las prácticas actuales incluyen la mejora de la

logística en alta mar, el arrendamiento de los buques y las operaciones submarinas.

Las PYMEs son especialmente adecuadas para aprovechar las oportunidades que

requieren presencia local, flexibilidad comercial y técnica, así como soluciones

especializadas e innovadores. Dado que la industria de la energía marina está aún

intentando lograr la madurez comercial, serán aquellas empresas que se involucren

activamente ahora las que ayuden a dar forma a su futuro.

5.2. PRINCIPALES SECTORES IMPLICADOS EN LAS ENERGÍAS MARINAS

La industria vinculada a la energía marina está relacionada con distintos sectores

productivos y de servicios, los cuales se deben desarrollar para proveer a esta industria

con un suministro apropiado. Entre estos sectores se incluyen:

Naval

Eólica marina

Gas y Petróleo

Transporte y logística marítima

Aeronáutico

Construcción

Minería

Industria del acero

Fabricantes de componentes eléctricos/electrónicos

Fabricantes de sistemas mecánicos

Proveedores de sistemas de monitorización y control

Puertos

Contratistas para montaje

Ingenierías / I+D




98

Es importante que la interacción de estos sectores sea fluida, pero también es

importante mencionar que hay un gran número de distintos actores en este mercado, lo

que significa que la industria de la energía marina abre oportunidades para otras

actividades relacionadas, estableciendo una cadena de suministro que puede crear

importantes beneficios para muchas compañías.

Si bien la identificación de industrias que ofrezcan un potencial de transferencia puede

servir de base para el desarrollo futuro del sector de la energía marina, es

imprescindible que tanto el sector de la energía marina como la industria potencialmente

colaboradora estén dispuestos a facilitar la transferencia y diversificación de sus

conocimientos y experiencia en este nuevo mercado.

La figura 5.3 muestra algunas de las principales relaciones entre los productos y

servicios implicados con la energía marina y diferentes sectores involucrados.

Figura 5.3. Sinergias entre distintos sectores productivos [1]

A continuación se hace un breve repaso de algunos de estos sectores, destacando los

aspectos en los cuales se espera su creciente vinculación con el sector de la energía

marina

La industria de la energía eólica marina se enfrenta a los mismos requisitos de

reducción de costes que la emergente industria de la energía oceánica. Si bien el fluido

de trabajo en la energía eólica es diferente, existe una importante experiencia en el




99

sector de la energía eólica marina de las técnicas de instalación y recuperación de

cargas pesadas y buques de transporte que puede ser de utilidad para las más

novedosas técnicas de energía de olas y corrientes. La necesidad de desarrollar

técnicas sólidas para resolver el problema asociado a las ventanas de tiempo está

presente tanto en la energía eólica como oceánica. Es mucho el trabajado realizado en

la industria eólica en cuanto a modelos computacionales, evaluación del recurso marino

y optimización del diseño de parques, que representan importantes áreas de

conocimiento que serán transferibles al sector oceánico. El desarrollo de componentes

en el sector de la energía eólica marina también puede beneficiar a los desarrollos para

energía marina, en particular para los convertidores de energía (PTO) y conexión a red.

Por su parte, la industria del gas y el petróleo es el sector con la experiencia en alta

mar más significativa de todos. Sus equipos colocados en ambientes submarinos y con

limitaciones críticas de fiabilidad, pueden ofrecer oportunidades de transferencia de

conocimientos significativos al sector de la energía marina. Existe no obstante una serie

de limitaciones a la aplicación de la tecnología del sector de gas y petróleo al sector de

la energía marina, tales como el potencial de reducción de costes. Una segunda

limitación se refiere a la magnitud de las instalaciones en el sector de gas y petróleo,

que son en general significativamente mayores que los dispositivos y estructuras de

energía marina. Mientras que el primero puede tener la capacidad de cubrir los gastos

significativos dados los ingresos sustanciales proporcionados por la extracción de gas o

petróleo, el sector de la energía marina no tiene la misma capacidad de inversión.

Ciertos componentes como cables y conectores marinos adecuados para la explotación

submarina son tecnologías maduras que ya están presentes en el sector del gas y el

petróleo, aunque su coste puede ser aún prohibitivo para las tecnologías de energía

marina actuales.

La industria del transporte marítimo tiene un amplio conocimiento en relación a la

capacidad de supervivencia de los dispositivos y componentes en el medio ambiente

marino. Los materiales compuestos y recubrimientos anti-fouling han estado en uso

dentro de la industria del transporte marítimo y junto con las técnicas de prevención de

la corrosión pueden ser aplicadas al sector de la energía marina. Se están investigando

posibles innovaciones dentro de la industria del transporte marítimo para el sector de la

energía marina, tales como los rodamientos lubricados por agua de mar. Asimismo, los

sistemas de fondeo y fundaciones con requisitos de carga permanentes y dinámicos




100

representan otras áreas de conocimientos con la que la industria del transporte marítimo

puede contribuir al sector de la energía marina.

Por otro lado, las empresas vinculadas al transporte de instalaciones marinas tendrán

un mercado creciente, si bien los barcos de remolque tradicionales no serán capaces de

instalar los aerogeneradores de última generación, que estarán más lejanos en alta mar

y en aguas más profundas, a una velocidad que pueda reducir significativamente el

coste de la energía. Una parte significativa de los parques eólicos marinos que se

instalará durante 2015-2023 puede utilizar monopilotes de grandes dimensiones y

turbinas cuyas góndola de unas 350 - 450t deben ser levantadas por encima de 100

metros. Los barcos de instalación de nueva generación deben ser capaces de

transportar 7-9 nuevas turbinas por viaje a una velocidad de tránsito elevado, tal como

15 nudos. Una buena mejora sería la construcción de nuevas embarcaciones diseñadas

para la instalación de las fundaciones más grandes y pesadas que serán necesarias

para turbinas de 7-8 MW.

La industria aeronáutica soporta requisitos muy estrictos para los factores de

seguridad, que implican un coste añadido a los componentes, y que pueden ser

innecesarios en el sector de la energía marina. Si bien es poco probable que los fallos

de componentes en el medio marino causen daño físico, hay un considerable riesgo

financiero asociado a los proyectos de energía marina. Existe un alto grado de

transferibilidad del sector aeronáutico dentro del área de fabricación de composites, los

cuales están desempeñando un papel cada vez más importante dentro de la fabricación

de aeronaves, y ya algunas empresas han utilizado sus conocimientos de composites

en el sector de la energía eólica. La aplicación de conocimientos en procesos de

fabricación automatizados para este tipo de materiales podría ayudar al sector de la

energía marina emergente. La optimización del diseño y desarrollo de componentes son

áreas en las que la industria aeronáutica está en condiciones de ofrecer su experiencia

a los desarrolladores y fabricantes de dispositivos de energía marina, en particular en lo

que respecta a la automatización de procesos de fabricación y herramientas

computacionales para la optimización del diseño.

El sector de la construcción también puede verse involucrado a través de las

empresas relacionadas con construcciones marinas, tales como puentes o presas,

pueden ofrecer sus conocimientos en la construcción de ciertas instalaciones de energía

marina, debido a su conocimiento de los requisitos de preparación de los fondos




101

marinos, uso de buques, así como de las limitaciones de la construcción en alta mar, sin

bien este sector realiza obras marinas diseñadas generalmente para un uso

permanente, sin operaciones de recuperación periódica. Es posible también que las

empresas de construcciones marinas tengan la oportunidad de proporcionar además

apoyo al sector de la energía marina en áreas tales como la estimación de las cargas

hidrodinámicas, la degradación de los materiales estructurales en el medio marino, o el

diseño de las fundaciones de las construcciones en alta mar.

Por otro lado existe una experiencia considerable en el sector de la minería en relación

a los desafíos de reducción de costos. La necesidad de nuevas técnicas de procesos de

automatización, de perforación y excavación ha permitido el desarrollo de nuevos

componentes y procesos de diseño asociados que ahora pueden ofrecer beneficios al

sector de la energía marina. Aunque tradicionalmente la industria de la minería no ha

estado vinculada al mar, la minería submarina está surgiendo como una nueva industria,

con el desarrollo de nuevos productos diseñados específicamente para la exploración

en alta mar. La experiencia en alta mar de trabajos geotécnicos tales como muestreo de

roca y perforación otorga a este sector posibilidades de transferencia para las técnicas

de instalación de fundaciones y fijaciones de amarre, así como trabajos de reparación,

en el fondo marino. Las industrias de sectores como el aeronáutico y de la minería

ofrecen una oportunidad para que los países que no cuentan con experiencia en alta

mar directa puedan contribuir al desarrollo del sector de la energía marina.

Otros sectores industriales como el de la construcción naval, que tradicionalmente no

han estado involucrados en las energías renovables tienen ahora la oportunidad de

aportar sus capacidades especialmente en la eólica marina flotante, donde la

construcción de plataformas flotantes va a requerir astilleros adecuados. Además

fabricantes de líneas de fondeo y otros dispositivos auxiliares de los sistemas de fondeo

y fundaciones del sector naval tendrán oportunidades en todo tipo de dispositivos y

parques de energía marina, en particular en la eólica marina.

También los puertos serán una parte esencial de la infraestructura necesaria, lo que

requerirá una mejora de las instalaciones existentes, así como nuevos puertos, que les

dote de las capacidades para maniobrar el equipamiento y las estructuras necesarias,

así como de la flexibilidad necesaria para la variable demanda propia de las campañas

de mantenimiento.




102

A medida que los dispositivos de energía marina pasen de la fase de prototipo a la

producción en serie las empresas de fabricación tendrán un mercado creciente, tanto de

productos de acero como de nuevos materiales. Otras empresas contratistas se

requerirán para operaciones de instalación, montaje y puesta en marcha de los equipos

principales, tanto convertidores de energía eólica, como undimotriz y mareomotriz.

Buques, remolcadores, buzos y otros serán necesarios para el ensamblaje de estas

máquinas, de las estructuras de apoyo, de cables submarinos, etc.

Así mismo se requerirán proveedores de componentes eléctricos y electrónicos para los

propios dispositivos de energía y la infraestructura de cables, subestación y

convertidores DC/AC, así como proveedores de sistemas mecánicos y de

monitorización y control de los dispositivos y parques marinos.

Ingenierías especializadas para el diseño de prototipos, definición de la infraestructura

necesaria, medición del recurso disponible con el objetivo de disminuir la incertidumbre

de éste y localizar las áreas apropiadas para el desarrollo de proyectos, configuraciones

óptimas para parques de máquinas o líneas de transmisión, evaluaciones de impacto

ambiental, etc.

También existe un alto potencial para los centros de I+D+i, tanto en el diseño de

nuevos dispositivos convertidores de energía marina como para nuevos materiales.

Tradicionalmente el acero ha sido el material más usado en casi todas las tecnologías

para el uso de la energía marina debido a su fiabilidad y resistencia, pero el acero es

caro y pesado, por lo que se requiere una I+D específica para otros materiales que

puedan ser más adecuados en peso, coste y resistencia a la corrosión en ambiente

marino.

En la Figura 5.1 se representan las posibles relaciones de diferentes sectores

industriales con distintas actividades vinculadas a la energía marina, estimándose el

grado de implicación esperado (1: poco; 5: mucho) con cada una de ellas.




103

Figura 5.1. Relación de sectores con productos/servicios en energía marina

(1.Fabricación prototipo/estructura; 2.Fundaciones y Fondeo; 3.Mantenimiento;

4.Logística; 5.Información de recurso marino; 6.Diseño de dispositivos/parques)

5.3. OPORTUNIDADES DE FUTURO BASADAS EN LA I+D

La investigación, el desarrollo y la innovación tecnológica pueden ser las principales

herramientas para contribuir a reducir el coste de la electricidad generada por

dispositivos y parques marinos. La búsqueda de nuevas soluciones tecnológicas puede

hacerse sobre toda la cadena de valor: desde los dispositivos para la medida del

recurso durante las fases previas de estudio, hasta los dispositivos para el

mantenimiento, pasando por todos los medios de fabricación e instalación.

Se recogen a continuación las prioridades que marca el programa Europeo más

relevante de apoyo a la I+D (Horizon 2020) en sus primeras convocatorias para 2014 y

2015 para el desarrollo de las energías marinas, que presta especial atención a la eólica

marina dado su mayor potencial de desarrollo en la actualidad.

Desarrollo de estrategias de control y conceptos innovadores para

subestructuras:

o estrategias y sistemas para nuevas máquinas más grandes y

control de parques basados en estas máquinas.

Demostración de conceptos innovadores de cimentaciones y conceptos

flotantes

o demostración de conceptos innovadores para cimentaciones de

fondo fijo para profundidades de 30 a 50 metros.

o nuevos conceptos de subestructuras innovadoras, incluidas las

plataformas flotantes para eólica marina, con objeto de incrementar la




104

producción y reducir los costes de instalación y operación para

profundidades de más de 50m.

Reducir sustancialmente los costes de la energía

o sistemas innovadores integrados en alta mar para incrementar la

producción y reducir los costes de instalación, operación y mantenimiento

para profundidades de agua de más de 50m.

Demostración y prueba de nuevos prototipos de góndola y rotor para

eólica marina

o Demostración y experimentación de góndolas y rotores con una

menor masa significativa e intensidad de material y aplicable a varios

tipos de turbinas eólicas de gran escala.

5.3.1. I+D EN ENERGÍA DE LAS OLAS Y CORRIENTES MARINAS

Un paso importante para el desarrollo del sector de la energía de las olas y corrientes

marinas es fijarse en los conocimientos adquiridos en otros sectores de energías

renovables, y en las lecciones aprendidas sobre cómo se han ido superaron las barreras

a su desarrollo. La progresión del sector de la energía eólica marina se utiliza a menudo

como referencia para el desarrollo de la energía de las olas y corrientes marinas en

términos de desarrollo tecnológico, cadena de suministro y procedimientos de obtención

de licencias. Pueden resumirse las principales áreas de investigación de la siguiente

manera [19]:

• Tecnología de conversión y componentes: investigación destinada a incrementar los

rendimientos energéticos y la identificación de las nuevas tecnologías de conversión

que pueden ser más rentables.

• Integración en red: la integración de la electricidad generada en la red eléctrica,

suavizando los picos.

• Cadena de suministro: se centra en los métodos de normalización y de reducción de

costes a través de sistemas de producción en masa e instalación industrializada.

• Aspectos relacionados con el recurso, así como aspectos ambientales, socio-

económicos y de planificación: se centra en la aplicación de la evaluación del ciclo de

vida de la tecnología, la mejora de las previsiones y evaluaciones de los recursos.




105

El coste de la energía de las olas y corrientes marinas tendrá que reducirse entre un 50

y 75% en torno a 2025 si pretende competir con la energía eólica marina y otras

tecnologías. Este nivel de reducción de costes de la energía marina se considera

factible considerando aspectos de economías de escala e innovación, así como con la

optimización de la cadena de suministro y la financiación adecuada. Esto exigiría la

instalación de parques a gran escala, del orden de al menos 200 MW, en torno a 2025,

y un sistema de energía marina significativamente optimizado que incorpore múltiples

innovaciones para reducir los costes y el riesgo. Si la energía de las olas y corrientes

marinas alcanza la paridad en los costes y riesgos con la energía eólica marina en el

año 2025, el coste de la energía generada potencialmente podría caer aún más en

2050, lo que podría hacerlo competitivo con la nuclear y los combustibles fósiles.

La energía de las corrientes marinas es actualmente más barata que la de las olas pero

en ambos el coste sigue siendo significativamente superior a otras tecnologías más

desarrolladas. El coste de la energía para los sistemas de energía marina se puede

atribuir a una serie de aspectos: estructura y dispositivo, captador de energía, conexión

a red, fundaciones y fondeo, instalación y operación y mantenimiento. Para la energía

de las olas el coste de la estructura y dispositivo constituye la mayor parte de los costes,

cerca del 30%, mientras que para la mareomotriz la instalación supone el mayor coste,

de cerca del 35%. Se han identificado las fuentes potenciales de reducción de costes de

cada uno de los aspectos principales considerados, observándose que la instalación y

las fundaciones y fondeos tienen mayores oportunidades de reducción de costes que

otros como la captación de energía y la conexión. La tabla adjunta resume los costes

actuales de energía por categoría y los potenciales de ahorro estimados.




106

Area

Coste de energía

actual

Reducción coste

por innovación

2020/50 Posibles causas de reducción de costes

Olas Mareas Olas Mareas

Estructura/

Dispositivo

30% 15% 40%/70% 35%/55%

Mejor comprensión de funcionamiento en el

mar, reducción de pesos, fabricación en

serie, nuevos materiales (fibra de vidrio,

plásticos, hormigón)

Captador

(PTO) 20% 10% 35%/65% 20%/35%

Mayor generación por mejoras en sistemas

de control

Fundación/

Fondeo

10% 10% 50%/85% 40%/60% Mayor eficiencia en el uso de material y en

sus procesos de instalación

Conexión 5% 15% 15%/30% 15%/30%

Desarrollo de conectores instalables en

agua, mayor eficiencia en despliegue de

cables submarinos

Instalación 10% 35% 45%/75% 55%/80%

Más rápida instalación con buques menores,

estructuras perforadas sustituyendo

fundaciones de gravedad

Operación

Mantenimiento

25% 15% 50%/85% 35%/55%

Mejora en la fiabilidad de dispositivos

marinos, más eficientes técnicas de

intervención, mejor infraestructura portuaria

Tabla 5.2 Coste actual y potencial de ahorro por innovación según diferentes áreas [20]




107

5.3.2. I+D EN EÓLICA MARINA

La eólica marina es un negocio en desarrollo (5,4 GW ya instalados) y con grandes

expectativas de crecimiento en todo el mundo (100 GW en 2025) y sobre todo en

Europa (40 GW en 2020) aunque el principal reto que para alcanzar estas estimaciones

es la reducción de costes. Los costes de inversión actuales son del orden de 3 veces los

de la eólica en tierra y los costes de operación y mantenimiento plantean grandes

incertidumbres, pudiendo suponer una tercera parte del coste final de la energía. Esta

situación lleva a que el coste de la energía de los parques eólicos offshore sea 2 o 3

veces superior a los de la eólica en tierra.

La investigación, el desarrollo tecnológico y la innovación son las claves para reducir

costes y que la eólica marina siga creciendo, siendo los aspectos clave a considerar los

siguientes:

Aerogeneradores de mayor potencia

Tecnología (fundamentalmente cimentaciones) para mayores

profundidades.

Nuevos medios de instalación, operación y mantenimiento

Instalación eléctrica: reducción de pérdidas, mayor fiabilidad, sistemas

HVDC

Reducción de riesgos: mayor fiabilidad de componentes y sistemas

Con estas mejoras tecnológicas se espera poder alcanzar unos costes de la energía en

el entorno de 120 Eur por MWh para 2020, que se plantea como objetivo básico para

seguir apostando por una fuente renovable que abre muchas oportunidades de

crecimiento económico y generación de empleo.




108

Figura 5.2 Innovaciones relevantes para reducción de costes en eólica offshore [21]

Un estudio realizado por “The Crown Estate” titulado “Offshore wind cost reduction

pathways - Technology work stream report” recoge las 12 innovaciones con mayor

potencial de influencia en la reducción del coste final de la energía (LCOE – Levelised

Cost of Energy) entre las que destaca con diferencia el aumento de potencia de los

aerogeneradores. Con el incremento de potencia unitaria se puede reducir el coste del

MW instalado ya que se reducen elementos de coste muy relevantes como son las

cimentaciones, el cableado entre aerogeneradores o las tareas de instalación además

de poder reducir también el coste del mantenimiento al tener menor número de turbinas.

La siguiente consideración a la hora de plantear innovaciones tecnológicas orientadas a

reducir costes en la eólica offshore es el acceso a aguas más profundas. En principio, la

mayor parte de los costes (cimentaciones, instalación, evacuación eléctrica y

mantenimiento) se disparan a medida que nos alejamos de la costa y se incrementa la

profundidad. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el 80% del recurso eólico

marino en Europa se encuentra en aguas con una profundidad superior a 60 metros. El

aprovechamiento competitivo del viento en zonas de profundidad elevada requiere

nuevas soluciones tecnológicas basadas en estructuras flotantes. Algunas de estas

instalaciones permiten ser montadas enteramente en tierra, ya que presentan




109

estructuras de fácil construcción, transporte e instalación. De esta forma se reducen los

costes y retrasos derivados por la utilización de las grúas flotantes.

De los principales aspectos mencionados en los que pueden obtenerse mejoras

tecnológicas para la eólica marina, se recogen a continuación algunas de las iniciativas

de I+D en marcha, que permiten identificar posibles oportunidades de negocio en un

futuro no muy lejano [22].

Palas de aerogeneradores

La Unión Europea está apoyando actualmente varios proyectos en este campo a través

del 7º Programa Marco (FP7) de investigación e innovación tecnológica, que se

describen brevemente a continuación:

- WALID combina avances en los materiales, diseño y procesos utilizando materiales

termoplásticos reciclables para reemplazar los actuales materiales termoestables en

diferentes partes de la pala de aerogenerador para reducir su coste y peso.

- HIPPOCAMP desarrolla un proceso para generar un nanocompuesto de peso ligero y

basado en carbono con alta rigidez estática y propiedades de amortiguación en un

amplio rango de temperatura y frecuencia, aplicable a las palas.

- INNWIND.EU es un proyecto destinado a desarrollar las innovaciones necesarias para

una turbina de 10-20 MW. En cuando a las palas, el proyecto tiene como objetivo

desarrollar conceptos aerodinámicos para alta velocidad, definición y evaluación de

conceptos estructurales innovadores para lograr palas de rotor ligeras y con la rigidez

adecuada, y la mejora de la tecnología de control de carga distribuida mediante el

desarrollo de palas con sensores, actuadores, dispositivos de control y fuente de

alimentación, con el apoyo de experimentos de laboratorio.

- AVATAR aborda las innovaciones aerodinámicas que se necesitan para escalar los

diseños de turbinas hasta 10-20 MW. En particular, AVATAR pretende evaluar, validar y

mejorar las herramientas aerodinámicas y aero-elásticas para asegurar su aplicabilidad

a grandes aerogeneradores, demostrando así la capacidad de estos modelos para la

estimación de cargas en todos los niveles de complejidad de modelización.




110

Cajas de cambio de aerogeneradores

Dentro del proyecto INNWIND.EU, la tarea de Conversión Electromecánica tiene como

objetivo principal el diseño y análisis de generadores magnéticos consistentes en la

integración mecánica y magnética de un imán multipolar permanente y una caja de

cambios magnética. Se espera que esta combinación resulte en una caja más pequeña

y fiable que un generador convencional, dado que no hay contacto mecánico ni por

consiguiente desgaste entre dientes.

Generadores eléctricos

-El proyecto ROMEO investiga y desarrolla diversas estrategias de ingeniería

microestructural para mejorar las propiedades de los imanes basados puramente en

elementos ligeros de tierras raras. ROMEO también tiene como objetivo desarrollar un

imán totalmente libre de elementos de tierras raras.

-Otro de los proyectos apoyados por el 7º Programa Marco es SUPRAPOWER,

destinado a desarrollar un nuevo generador compacto basado en superconductores, lo

que permitirá crear aerogeneradores de gran potencia sin por ello necesitar elementos

de grandes dimensiones.

Estudios para entornos complejos

Existen también iniciativas de I+D relacionadas con el diseño de turbinas para

condiciones severas de operación, es decir climas extremadamente fríos o calientes, de

vientos extremos o asentadas en terrenos complejos.

- El proyecto sueco WINDPOWER para climas fríos de la Agencia Sueca de Energía,

los proyectos europeos WINDHEAT y ICE2 (7PM), y el Blaiken Wind Farm apoyado por

el programa NER3008, se centran en investigación básica, sensores de hielo

innovadores y otros sistemas de medición inteligente, así como sistemas de deshielo y

de control. El proyecto finlandés ICEDBLADES tiene como objetivo identificar si el rotor

helado aumenta las cargas y vibraciones a los componentes clave (palas, torre, caja de

cambios, etc.).

- DEICE-UT tiene como objetivo desarrollar un innovador sistema de descongelación

que combina ondas ultrasónicas de alta potencia y vibraciones de baja frecuencia tanto

para prevenir la acumulación de hielo como quitar el hielo ya formado.




111

- HYDROBOND tiene como objetivo desarrollar un nuevo revestimiento superhidrófobo

nanoestructurado con propiedades anticongelantes, así como nuevos procesos para su

aplicación en grandes palas para el uso en alta mar con el fin de reducir las pérdidas de

energía y fallos mecánicos.

- WINDHEAT tiene como objetivo mejorar la comprensión de la formación de hielo en

las palas de turbinas eólicas, y construir y demostrar un preciso sistema de detección de

hielo, así como un sistema de calefacción de bajo consumo de energía basado en

revestimientos de grafito.

Evacuación eléctrica HVDC

Como se ha argumentado anteriormente, evacuar grandes cantidades de energía de

parques situados a gran distancia de la costa es una necesidad creciente que implica

oportunidades relacionadas con los sistemas de alta tensión en corriente continua

(HVDC) incluyendo convertidores AC/DC para la interconexión con la red.

Existen ya algunos sistemas de uso en tierra firme que pueden servir de base para los

futuros sistemas de evacuación de parques marinos.

- HVDC-LCC: Alta tensión en corriente continua, usando convertidores con

conmutación natural de línea, también llamado HVDC clásico. Los principales

componentes de un sistema HVDC-LCC son los transformadores, convertidores

de conmutación basados en tiristores, filtros AC, inductancias DC, sistemas

auxiliares de compensación de energía reactiva y sistemas de generación

auxiliar.

Figura 5.3 Esquema de un sistema HVDC LCC de conexión de un parque eólico marino

a una red en tierra [2]




112

- VSC-HVDC: Alta tensión de corriente continua, usando convertidores con

conmutación forzada. Los elementos principales son transformadores, filtros AC,

convertidores de conmutación forzada y baterías de condensadores.

Corrosión

Con relación a la corrosión de superficies en ambiente marino, existen en la actualidad

diversos desarrollos tecnológicos, los más prometedores de los cuales están

relacionados con micro y nanotecnología, tales como estos [23]:

-Recubrimientos que incorporan nanomateriales, micro/nanopartículas y microcápsulas

para la mejora de la protección contra la corrosión y el fouling.

-Autocuración basada en microcápsulas con agentes curativos (self-healing)

-Recubrimientos de grafeno, que generan una barrera energética al átomo del oxígeno

para prevenir la corrosión.

-Recubrimientos con nanopartículas cerámicas, de CNT (nanotubos de carbono), ZnO,

TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃ ó CeO2.

-Palas fabricadas a partir de composites con nanomateriales que mejoran la protección

frente a la corrosión.

Plataformas flotantes para aerogeneradores

Actualmente están en desarrollo una serie de iniciativas de plataforma flotante para

eólica offshore, entre las cuales pueden citarse estas:

-IDEOL

Esta plataforma semisumergida está basada en un casco de hormigón construido en

colaboración con empresas de ingeniería civil. Se ha desarrollado y patentado además

el sistema de amortiguación PoolR que permite la reducción de los movimientos

flotantes aprovechando la masa de agua que puede ser atrapada en la estructura. Esta

estructura flotante podrá soportar turbinas comerciales de 5-6MW sin modificaciones.

Se está trabajando en la construcción e instalación de dos demostradores a escala

comercial en 2014.




113

Figura 5.4 Esquema del prototipo IDEOL [24]

-NAUTILUS

Esta solución consiste también en una plataforma semisumergida para eólica marina en

aguas profundas. La estructura basa sus ventajas en su diseño, que permite la

fabricación en astilleros convencionales, el montaje del aerogenerador en puerto y el

remolque e instalación con barcos también convencionales. Además, el diseño actual de

NAUTILUS permite albergar aerogeneradores de 5 MW, pero el objetivo es llegar a

escalar hasta 10 MW.

Figura 5.5 Esquema del prototipo NAUTILUS [25]

-HiPRwind




114

El proyecto HiPRWind (FP7, 2014-2015) desarrolla otro diseño de plataforma

semisumergida. HiPRWind estudia nuevos diseños de estructura flotante, métodos de

instalación, soluciones de ingeniería de control, integración de la red eléctrica en aguas

profundas, componentes electrónicos de potencia, nuevos conceptos para grandes

rotores, y vigilancia de las condiciones y el estado de la estructura. Será construido con

funciones de control activo, lo que permitirá reducir las cargas dinámicas sobre el

flotador para ahorrar peso y coste.

Figura 5.6 Esquema del prototipo HiprWind [26]

-TLP Iberdrola

El modelo por el que ha optado Iberdrola es la cimentación flotante tipo TLP (Tension

Leg Platform). Sus ventajas sobre las otras dos tecnologías existentes (flotantes

semisumergibles y Spar) son una mejor respuesta dinámica, menor nivel de fatiga en

cables, seguridad en la mar en operación y mantenimiento, mejor respuesta en

condiciones más severas, si bien necesita líneas de fondeo tensionadas que requieren

una mayor precisión de instalación. Será posible realizar su ensamblaje en astilleros ya

existentes, mientras que su transporte e instalación se puede efectuar en buques

estándar con ventanas climáticas pequeñas. Por otro lado resulta también beneficiosa

su baja dependencia de cargas aerodinámicas y pesos: 2 MW (750 toneladas) y 5 MW

(1.050 toneladas).




115

Figura 5.7 Esquema del prototipo de la TLP Iberdrola [27]

-GICON

GICON está desarrollando una estructura flotante para eólica marina para

profundidades entre 20 y 500 metros, permitiendo así el acceso a nuevas áreas de mar

para la eólica marina. Su diseño pretende reducir costes mediante una construcción

modular, pudiéndose ensamblar enteramente en puerto y remolcarse a alta mar incluso

con el aerogenerador instalado. Se espera inatalar un prototipo a escala real en el mar

Báltico en 2014.

Figura 5.8 Esquema del prototipo GICON [28]




116

-VertiWind

Esta solución consiste en un aerogenerador de eje vertical sencillo, que no requiere

actuadores de yaw, pitch de palas ni caja de cambios. Tampoco requerirá del uso de

grúas en alta mar, de manera que se espera que resulte menos complejo y caro en su

instalación y mantenimiento. La plataforma se podrá ensamblar enteramente en Puerto,

y se espera que su producción sea similar a las de eje horizontal con un menor índice

de fallos.

Figura 5.9 Esquema del prototipo VertiWind [29]

-Hexicon Energy Design

El Diseño Energía Hexicon se basa en una plataforma flotante que incorpora las

tecnologías y aplicaciones offshore existentes y verificadas. Las torres se instalan

directamente sobre la plataforma, lo que permite además la instalación de aplicaciones

generador de energía de las olas. Está prevista una capacidad de 54MW eólica y 15MW

de las olas, y su comercialización para 2015.




117

Figura 5.10 Esquema del concepto Hexicon [30]

Plataformas flotantes multiuso

Existen en la actualidad una serie de iniciativas encaminadas al desarrollo de

plataformas marinas flotantes para diversos usos, no únicamente vinculados a la

generación de energía marina, de los que se describen brevemente algunos a

continuación.

-TROPOS

El Proyecto Tropos del 7º Programa Marco de la Unión Europea pretende desarrollar un

sistema de plataforma flotante modular multiuso para aguas profundas. Las plataformas

multiusos están concebidas para diferentes usos posibles tales como servicios para

transporte marítimo, generación de energía marina, acuicultura e incluso oportunidades

de ocio marino. Inicialmente se centra en las regiones del Mediterráneo, tropical y

subtropical, pero con la suficiente flexibilidad para no estar geográficamente limitado.




118

Figura 5.11 Esquema del concepto TROPOS [31]

-MERMAID

Este proyecto, también cofinanciado por la Unión Europea desarrolla conceptos para la

próxima generación de plataformas marinas que pueden usarse para distintos fines,

incluyendo la extracción de energía, acuicultura o apoyo al transporte. No se prevé la

construcción de una plataforma, sino que examinará conceptos teóricos tales como la

posible combinación de diferentes estructuras bajo diferentes condiciones.

Figura 5.12 Casos de estudio de MERMAID [32]




119

-H2OCEAN

Este Proyecto europeo pretende desarrollar una plataforma marina para la generación

de energía de eólica y de las olas para la generación de hidrógeno que se exportaría a

tierra firme, así como para alimentar una instalación de acuicultura.

Figura 5.13 Esquema del concepto H2OCEAN [33]




120

6. REFERENCIAS

[1] OES, Ocean Energy Systems. Annual Report, 2011.

[2] OTEO, Observatório Tecnológico para as Energías Offshore. Estado da Arte,

Relatório 2012.

[3] http://www.oceanpowertechnologies.com

[4] Pelamis Wave Power, http://www.pelamiswave.com/

[5] Aquamarine Power, http://www.aquamarinepower.com/

[6] Marine Current Turbines Ltd., http://www.marineturbines.com/

[7] Hammerfest Strøm AS, http://www.hammerfeststrom.com

[8] OpenHydro, http://www.openhydro.com Inc.,

[9] Power Collection from Wave Energy Farms. Appl. Sci. 2013, 3, 420-436;

doi:10.3390/app3020420

[10] SI Ocean, Strategic Iniciative for Ocean Energy. Technology Status Report.

[11] ORECCA Project, ORECCA European Offshore Renewable Energy Roadmap.

ORECCA Coordinated Action Project, 2011.

[12] UKERC, “Marine Energy Technology Roadmap,” 2010.

[13] The Crown Estate. A Guide to UK Offshore Wind Operations and Maintenance,

2013.

[14] http://www.hammerfeststrom.com;

[15] DTOcean. Design tools, enabling technologies and underpinning research to

facilitate ocean energy converter arrays. Description of Work, 2013.

[16] EWEA. Deep Water: The next step for offshore wind energy, 2013.


http://www.oceanpowertechnologies.com/

http://www.pelamiswave.com/

http://www.aquamarinepower.com/

http://www.hammerfeststrom.com/



121

[17] Low Carbon Innovation Coordination Group. Technology Innovation Needs

Assessment. Marine Energy Summary Report, 2012.

[18] Energía Marina en Chile. Avanzando en el desarrollo del recurso chileno.

[19] SI Ocean, Strategic Iniciative for Ocean Energy. Wave and Tidal Energy

Strategic Technology Agenda, 2014.

[20] Carbon Trust, Accelerating marine energy: The potential for cost reduction -

insights from the Carbon Trust Marine Energy Accelerator. Carbon Trust, 2011.

[21] The Crown Estate. Offshore wind cost reduction pathways - Technology work

stream report.

[22] JRC wind status report. Technology, market and economic aspects of wind

energy in Europe, 2013.

[23] NanoBasque. Hoja de ruta de aplicaciones de micro/nanotecnología en energías

marinas.

[24] www.ideol-offshore.com/en

[25] www.tecnalia.com

[26] www.hiprwind.eu

[27] www.oceanlider.com

[28] www.gicon.de/es/geschaeftsbereiche/gte/sof.html

[29] www.nenuphar-wind.com/technology

[30] www.hexicon.eu

[31] www.troposplatform.eu

[32] www.mermaidproject.eu

[33] www.h2ocean-project.eu


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Estudio de las oportunidades tecnológicas que presentan las ERM para la industria

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