ES2422664B2 - Procedimiento de instalación de estructura flotante monolítica para soporte de aerogenerador - Google Patents

Abstract

Proceso de instalación de estructura flotante monolítica para soporte de aerogenerador en zonas marítimas de gran profundidad y alejadas de la costa que consiste en el fondeo de la estructura desde una posición horizontal de transporte hasta la vertical mediante la inundación controlada de su interior, de forma que el tramo emergente sobre la superficie marina sea mínimo, para que el montaje del aerogenerador a instalar en la coronación se realice a través de una embarcación tipo catamarán o similar y sin necesidad de medios complementarios de elevación. El emergido de la estructura se realiza mediante extracción del agua interior a través de diversas válvulas a lo largo de la altura que se equilibra parcialmente con el lastre tipo granular introducido a través de una apertura lateral. La fuerza en los amarres de sujeción se aplica mediante el ajuste de la línea de flotación de la estructura.

Description

Procedimiento de instalación de estructura flotante monolítica para soporte de aerogenerador.

Objeto de la invención

El objeto principal de la invención se refiere al método de instalación de una estructura flotante monolítica hueca para el soporte de aerogeneradores de gran potencia u otros elementos. Se enmarca en el ámbito de las energías renovables, en concreto energía eólica marina, planteando su utilidad para la instalación en zonas marítimas de gran profundidad y alejadas de la costa.

Antecedentes de la invención

En el contexto que la tendencia global se decanta por el uso de las energías renovables, de entre ellas la tecnología referente a la obtención de energía eléctrica a partir del viento ha sufrido en un corto período de tiempo un importante impulso tecnológico y de I+D.

Los avances más significativos se han traducido, y siguen traduciéndose, en aerogeneradores con potencias muchomás elevadas que las de sus predecesores, de mayor diámetro, más pesados y con mayor vida útil. Éste hecho ha permitido el planteamiento y explotación de diseños de estructuras para el soporte de aerogeneradores situados en el mar, donde los costes relativos a la cimentación necesaria para estas estructuras son considerablemente más importantes que en las estructuras cimentadas en tierra (onshore) y que con la existencia de aerogeneradores de gran potencia, que por otra parte no requieren de estructuras de soporte significativamente más costosas que para sus predecesores, permiten desde un punto de vista comercial absorber los costes extra derivados del emplazamiento en el mar a cambio de una mayor potencia instalada.

Pese a las numerosas ventajas que la tecnología de la aerogeneración marina ha demostrado tener hasta el momento, éstas se han visto frenadas por la dificultad de hallar ubicaciones marinas con condiciones de viento favorables y a su vez con batimetrías que permitan la fijación y cimentación de éstas estructuras, en profundidades máximas del orden de los 50m, a cierta distancia de la costa, donde sea posible la instalación de grandes parques eólicos offshore que no generen un importante impacto, principalmente visual desde el punto de vista de la aceptación social de la infraestructura.

Es en este punto donde cobra sentido el diseño de plataformas flotantes para el soporte de aerogeneradores, puesto que permiten la instalación de grandes parques eólicos alejados de la costa y con independencia de la profundidad de la zona considerada.

Hasta la fecha se han desarrollado algunas patentes en cuanto a diferentes diseños de plataformas flotantes para dicho fin, de las cuales cabe destacar las patentes WO2010106208 y WO2006132539, que por su simplicidad permiten garantizar la estabilidad del sistema sin necesidad de recurrir a elementos activos de control de estabilidad más allá de los propios relativos a los aerogeneradores.

La patente US20060165493 describe un diseño formado por 3 puntos de flotación diferenciados, con un sistema activo de transferencia de fluido de lastrado entre ellos que se traduce en importantes costos de mantenimiento, además del aumento de coste debido a la existencia de los múltiples puntos de flotación.

Otros diseños como los presentados en WO2010110329 y WO2010110330 mantienen una filosofía parecida al propuesto en WO2006132539, introduciendo métodos de instalación que permiten facilitar su colocación en el emplazamiento definitivo.

En los casos anteriores el material base de la construcción es el acero, y en aquellos en que la estabilidad es generada mediante un par de fuerzas adrizante, conseguido a través del descenso del centro de gravedad mediante el añadido de lastre, se diferencian claramente una estructura inferior sumergida total o parcialmente, dedicada a la funciones de flotador y contenedor de material de lastrado, y una estructura superior aérea encargada de soportar el aerogenerador a la altura deseada sobre el nivel medio del mar, conectadas entre sí mediante distintos tipos de conexiones.

En éstas, el método constructivo que se emplea para su instalación es transportar la estructura inferior hasta la zona de fondeo, donde una vez lastrada y garantizada su verticalidad y estabilidad, se conecta la estructura superior y posteriormente el aerogenerador.

En el caso de las patentes WO2010110329 y WO2010110330, el sistema difiere a lo comentado, proponiendo un sistema telescópico de torre, de forma que se transporta y fondea la estructura de flotación, que en su interior alberga la torre superior. Una vez fondeada la estructura inferior, se coloca el aerogenerador sobre el tramo de torre interior que sobresale de ésta y posteriormente se iza mediante un sistema de poleas.

ES 2 422 664 Al

Todos estos sistemas, tanto el de conexión de ambas estructuras en la mar como el de izado telescópico, son aplicables a estructuras de acero, donde el peso de la torre superior es muy inferior al de una de hormigón y a la parte inferior sumergida y lastrada, siendo posible técnica y económicamente el uso de embarcaciones-grúa para su izado y ensamblaje.

En el caso del diseño de estructuras construidas totalmente en hormigón, como la descrita en la solicitud de patente P201132097, o de mayor envergadura en acero, deben plantearse nuevos métodos de instalación que permitan transportar y fondear estructuras monolíticas huecas, sin necesidad de separar el sistema en una estructura inferior y otra superior, eliminando el problema de necesidad de grandes grúas sobre grandes buques o plataformas, debido al peso de una estructura y minimizando las duras, y técnicamente complejas, tareas de acoplamiento de elementos de grandes dimensiones en alta mar.

Descripción de la invención

La presente invención hace referencia al proceso constructivo para el transporte y fondeo de una estructura flotante monolítica (formada por una sola pieza incluyendo el elemento flotador y la torre de soporte) tipo SPAR para el soporte de aerogeneradores u otros elementos.

Puesto que al tratarse de estructuras de gran tamaño, del orden de 150-300 metros de longitud, y muy pesadas, no es posible su transporte por vía terrestre de ningún modo, la construcción de la estructura debe realizarse en un dique seco que permita una conexión directa con el mar, pudiendo transportar la estructura como un elemento flotante en configuración horizontal.

Una vez la estructura ha sido construida y está lista para ser transportada, debe sellarse la zona superior para evitar su inundación, igual que los diferentes orificios laterales, y proceder al llenado del dique seco, provocando la flotación de la estructura en posición horizontal. Previamente al llenado, y con la intención de poder realizar las tareas de conexión de cables de fijación a la estructura en seco, se procede a su conexión, manteniendo el extremo opuesto de los cables unido a un elemento de flotación tipo boya o similar.

Una vez la estructura se encuentra flotando en posición horizontal, mediante remolcadores se procede a su extracción del dique seco y se transporta en esa misma posición hasta el lugar de fondeo. Durante el proceso de transporte, los cables se encuentran enrollados para facilitar la navegación, manteniendo sus extremos opuestos flotando a popa de la estructura.

Una vez alcanzadas las coordenadas de fondeo, se despliegan los cables en su posición final en planta, manteniendo aún sus extremos flotando.

A continuación se procede al anegamiento interior de la estructura hueca con agua, para producir el hundimiento controlado de la misma, tanto en la velocidad de llenado de agua como en los movimientos globales de cambio de posición del conjunto de la estructura, de flotación horizontal a flotación vertical, que suponen un proceso de adrizado de la estructura de soporte, manteniendo durante todo el tiempo la mayor parte de la estructura sumergida.

En la fase de erección del sistema, se bombea agua en su interior de forma que la estructura va adoptando una cierta inclinación hasta alcanzar la posición vertical. Esta operación se prevé realizarla con la ayuda de una embarcación o boya auxiliar que controle el movimiento de hundimiento de la base de la estructura a través de un sistema de cables conectados a la embarcación y la estructura.

La operación finaliza con la estructura posicionada en vertical y donde tan solo sobresale de la superficie marina un pequeño tramo de la estructura, no superior a 30 m, lo necesario para que las operaciones de montaje del aerogenerador se puedan realizar a una altura aproximadamente igual a la de la cubierta de trabajo de una embarcación, evitando las dificultades de trabajar a grandes alturas, donde cualquier pequeña oscilación del sistema se traduce en grandes desplazamientos de la coronación con las consiguientes dificultades para el acoplamiento del aerogenerador y sus palas, sin mencionar la seguridad de los operarios que realizan dichas tareas.

La embarcación planteada para el acoplamiento del aerogenerador a la estructura es una embarcación de tipo catamarán o similar, de forma que una vez la estructura tipo SPAR se encuentra hundida hasta la cota necesaria para la operación de montaje del buje y las palas ésta se acopla a la embarcación, que dispone de un sistema hidráulico de fijación a la estructura.

La propia embarcación debe disponer de un puente grúa sobre su cubierta, mediante el cual se colocan tanto elaerogenerador como las palas del rotor. Ésta embarcación puede albergar en su cubierta tanto las palas como el aerogenerador propiamente dicho, minimizando los viajes necesarios entre el punto de fondeo y el centro de operaciones en tierra.

Una vez instalado el aerogenerador y sus palas, al menos una de las cuales puede quedar sumergida bajo la superficie marina, se procede a evacuar el agua del interior de la estructura de forma que ésta empiece a emerger hasta alcanzar la altura deseada sobre el nivel del mar.

ES 2 422 664 Al

Con el fin de maximizar el rendimiento del sistema de bombeo de agua, se colocaran diferentes puntos de evacuación a lo largo del paramento de la estructura que finalmente va a quedar por encima del nivel de mar, de forma que durante el desarrollo de la operación, el agua no deba ser elevada hasta cotas muy superiores a las de la superficie marina. Éstos puntos de evacuación se solucionan mediante piezas de acero inoxidable huecas, embebidas en la estructura durante la fase de hormigonado, que permiten conectar el exterior de la estructura con su interior y en cuyos extremos disponen de uniones para el acoplamiento de las mangueras de evacuación y las tapas de sellado correspondientes.

Una vez elevada la estructura a la cota del rotor deseada, se procede a añadir el lastre sólido en el fondo de la estructura. Esta operación se realiza a través de la puerta de acceso al interior de la estructura, donde mediante una barcaza con un sistema de cintas transportadoras se introduce el lastre sólido en forma granular y se deja caer hasta el fondo a través de un tubo plástico de diámetro entre 1 y 2 metros. Dado que la estructura se encuentra inundada, la caída del material queda amortiguada por el agua, además de por el propio rozamiento que se genera entre el tubo y el material, evitando un impacto perjudicial sobre la estructura en el fondo de la misma.

De forma simultánea al llenado de la estructura con material sólido, el agua en su interior debe ir evacuándose al exterior mediante un sistema de bombas, de forma que se vaya compensando el peso añadido con la extracción de agua, hasta conseguir el peso final de lastrado permanente deseado.

Una vez todo el material solido ha sido añadido, se procede a la instalación de las fijaciones al fondo marino, bien sean lastre por peso propio, anclas o pilotes de succión. En esta operación todavía existe un remanente de agua en el interior de la estructura de forma que su línea de flotación final se encuentra sumergida, y posteriormente a la instalación de las fijaciones marinas, se continúa evacuando agua ajustando de esta forma tanto la línea de flotación deseada como la precarga inicial de los cables de amarre.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Seguidamente se describen brevemente las figuras que ayudan a comprender mejor la invención y que se encuentran directamente relacionadas con la invención, presentadas a modo de ejemplo, sin ser limitantes de ésta.

FIG 1: Transporte de la estructura en horizontal mediante remolcador.

FIG 2: Proceso de erección.

FIG 3: Acoplamiento barcaza de montaje de aerogenerador a la estructura.

FIG 4: Instalación del aerogenerador y sus palas.

FIG 5: Emersión de la estructura.

FIG 6: Fijación de amarres al fondo marino.

FIG 7: Ajuste de tensión en los amarres.

Realización preferente de la invención

Tal y como se observa en la figura 1, la estructura será transportada en posición horizontal (11) mediante remolcadores (12). Para el transporte de la estructura, ésta deberá sellarse previamente con el fin de aprovechar su flotación para el transporte. Durante el transporte, los cables de fijación al lecho marino se transportan juntamente con la estructura, ya conectados a ésta, y mediante un sistema de boya en su extremo posterior se mantienen a flote.

En la figura 2 se observa el proceso para el fondeo inicial de la estructura. Una vez alcanzado el punto de fondeo, se procede a inundar el interior de la estructura (24) de forma controlada de tal modo que ésta vaya perdiendo flotación y se sumerja en el agua a la vez que adopta una configuración vertical. El movimiento de la estructura deberá ser controlado a través de una embarcación auxiliar mediante un cable de control fijado a sí misma y a la base de la estructura (22). Mediante dicho cable se controla que el proceso se realice a poca velocidad, evitando movimientos bruscos, tanto por posibles desplazamientos de aire en el interior o por efecto péndulo. Durante el fondeo, los extremos de los cables que se hallan flotando (23) deberán posicionarse en planta de forma que no interfieran con el proceso de fondeo. La inmersión parcial de la estructura en el agua se realizará de forma emerja el mínimo tramo posible sobre la superficie del mar (21), evitando al máximo que la estructura trabaje en voladizo fuera del agua. En esta fase, el único lastre de que dispone la estructura es el agua previamente inyectada en su interior (24).

En la figura 3 se muestra el acoplamiento de una embarcación tipo catamarán (32) contra la estructura. La embarcación dispone de un puente grúa en su cubierta (31) y espacio para albergar el aerogenerador o las palas del mismo (33).

ES 2 422 664 Al

En la figura 4 se muestra el esquema de montaje de las palas del aerogenerador, de forma que debido a sus dimensiones una de las palas deberá quedar sumergida parcialmente (41). Tanto el montaje de palas como el del propio aerogenerador se realizará mediante el puente grúa, evitando la necesidad de realizar trabajos a grandes alturas. El lastre (42), a base de agua, mantiene la estructura en gran parte sumergida.

En la figura 5 se muestra la secuencia de emersión de la estructura una vez instalado el aerogenerador con sus palas. Mediante un sistema de bombeo y extracción de aguas (51) se extraerá el agua del interior (52), de forma controlada, para que la estructura gane flotación y emerja. Durante el proceso, al no disponer todavía del lastrado sólido necesario, es imprescindible que la embarcación de tipo catamarán (53) se mantenga fijada a la estructura de forma que permita controlar los posibles movimientos de ésta. La evacuación de agua al exterior (54) se realizará a través de orificios preparados en el hormigón que permitan sellarlos mientras se encuentren sumergido y que posteriormente pueden ser abiertos para evitar que las bombas deban impulsar el agua a grandes cotas sobre el NMM.

En la figura 6 se muestra el proceso de añadido de lastre sólido a la estructura. Éste se realizará a través de la puerta de acceso a la estructura mediante la introducción de material de lastre granular a través de cintas transportadoras (64) situadas en una embarcación tipo catamarán acoplada a la estructura. Las cintas reciben el material de una tolva situada en la embarcación (65) que a su vez requiere de una segunda embarcación auxiliar

(66)

donde se transporta el material i se va traspasando a la tolva mediante una giratoria o similar. Una vez el material ha sido introducido en el interior, éste se deja caer sobre un embudo (61) que recibe el material y lo dirige hacia un tubo plástico de 1 a 2 metros de diámetro (62), colocado a través del interior de la estructura con cierta sinuosidad y finalizando a pocos metros del fondo de la estructura. El material que cae a través del tubo pierde parte de su energía por el propio rozamiento con las paredes y finalmente el impacto contra el agua existente en el interior

(67)

acaba de amortiguar la caída, depositándose libremente el material en el fondo de la estructura. Durante el proceso deberá irse evacuando el volumen de agua equivalente al peso de lastre que se vaya añadiendo mediante un sistema de bombeo (63).

En la figura 7 se representa el proceso final del fondeo en el que una vez la estructura ya es estable por sí misma, se procede a la instalación de los anclajes en el lecho marino. Durante la operación, los extremos de los amarres

(71)

se mantienen flotando a la espera de la ejecución de su fijación al fondo, colocados en su posición final en planta. Una vez instalados los anclajes del fondo, se ajusta la precarga en los amarres mediante el ajuste de la línea de flotación de la estructura (72) mediante la evacuación del agua interior restante,

ES 2 422 664 Al

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1) Procedimiento de instalación de plataforma flotante tipo SPAR monolítica (estructura construida en una sola pieza, que incluye el elemento flotador tipo SPAR y la torre de soporte) para el soporte de aerogeneradores u otros elementos, caracterizado por el fondeo de la estructura desde una posición horizontal hasta posicionarla en

   5 vertical mediante la inundación controlada de su interior, donde el movimiento de descenso y rotación de la estructura se controle a través de cables desde una o varias embarcaciones o boyas auxiliares de forma que el montaje del elemento a soportar se realice en cota de cubierta de la embarcación tipo catamarán o similar, a un máximo de 30m del NMM y acoplado a la estructura permitiendo la instalación de dichos elementos mediante el uso de puentes grúa o similar, emergiendo finalmente el conjunto estructura-elemento mediante el bombeo del

   10 agua interior de la estructura y donde finalmente el lastrado con sólidos definitivo se realice mediante una apertura lateral de la estructura una vez emergida

   2) Procedimiento de instalación de acuerdo a la reivindicación 1, donde el proceso de extracción de agua para la emersión de la estructura flotante de soporte se realice a través de diversas válvulas a lo largo de la altura, 15 dispuestas en su paramento.

   3) Procedimiento de instalación de acuerdo a la reivindicación 1, donde el material sólido de lastrado sea conducido hacia el fondo a través de un sistema tubular interno a la estructura que a su vez frene el material por rozamiento y por el posterior impacto con el agua existente en su interior.

   20 4) Procedimiento de instalación de acuerdo a la reivindicación 1, donde el ajuste de la fuerza en los cables de amarre se realice mediante el ajuste de la línea de flotación de la estructura.

   ES 2 422 664 Al

   FIGURA 1

   FIGURA 2

   ES 2 422 664 Al

   ES 2 422 664 Al

   FIGURA 4

   ES 2 422 664 Al

   ES 2 422 664 Al

   ES 2 422 664 Al