Resumen

Esteyco es una empresa generalista de ingeniería civil con 47 años de historia y 20 años de experiencia en la industria eólica. En particular,
es puntera y pionera en el sector de las torres eólicas prefabricadas de hormigón y, como tal, hace ya 7 años, reconoció la necesidad de
introducirse en el mercado eólico offshore, y buscar, mediante el I+D+i, nuevas fórmulas y productos mejorados que le permitiesen mantener
una posición de liderazgo tecnológico y de conocimiento en el sector de la energía.
Así es como surgió la tecnología ELISA que se ha desarrollado durante dichos años, con fondos de distintos programas de investigación,
entre los que destacan el programa europeo H2020 (proyecto H2020 SME Instrument “ELISA” y el H2020 LC3 “ELICAN”, en concreto).
Esta tecnología, de torres eólicas offshore, comprende una cimentación por gravedad (Gravity Base System – GBS) autoflotante en su
transporte marino, junto a una torre telescópica autoelevable, ambas de hormigón. La flotabilidad de la estructura conjunta, y la configuración
telescópica de la torre, permiten que cada unidad pueda ser totalmente montada en tierra, incluida la turbina, para luego ser remolcada
de manera convencional a su posición definitiva en el mar. Una vez allí, se lastra hasta el fondo marino y es auto-izada, mediante gatos
hidráulicos hasta su altura final.
En particular, el proyecto ELICAN consiste en la construcción de un prototipo de torre con la tecnología ELISA, a escala real. La construcción
y diversas pruebas se están llevando a cabo en la actualidad en Gran Canaria.

1. INTRODUCCIÓN. ESTADO DEL ARTE

1.1. Tipologías existentes de estructuras eólicas offshore

La figura 1 muestra la tipología y número de cimenta-ciones para aerogeneradores offshore instaladas a final de 2014 en Europa. La misma figura muestra representaciones de las tres tipologías que destacan como las más empleadas hasta la fecha: cimentaciones de gravedad, monopilotes y celosías o jackets. De entre ellas, el monopilote predomi-na claramente, habiendo sido la opción escogida en casi un 80% de los casos hasta hoy. La solución de gravedad le si-gue con algo más del 10% de los casos, mientras que la cuo-ta de utilización de los jackets se sitúa hoy en el entorno del 5%.

Varios de los parques de primera generación, incluyen-do el primer y pionero parque de Vindeby (1991) o el pri-mer gran parque comercial con turbinas multimegawatio en Middelgrunden (2000), se instalaron sobre cimentacio-nes de gravedad, que siguen hoy operativas y han un tenido un comportamiento muy satisfactorio haciendo gala de su natural robustez.

Figura 1. Cuota de utilización y representación de las distintas tipologías de cimentación a finales de 2014 (Fuente: EWEA).

Pocos años después, se introdujo la solución del mo-nopilote, empleada por primera vez en el parque de Lely (1994) y ya a gran escala con aerogeneradores multime-gawatio en el parque de Horns Rev (2002). La tipología consiste en un sencillo pilote metálico de gran dimensión, con un diámetro análogo al de la propia torre a la que da continuidad. El monopilote se hinca varias decenas de me-tros en el fondo marino y en la solución más habitual se le añade en cabeza una importante pieza de transición a tra-vés de la cual queda unido a la base de la torre.

En la primera década de este siglo, se trabajó intensa-mente en el desarrollo de soluciones que pudiesen llenar el vacío que se preveía que el monopilote dejaría más allá de los 25-30 m de profundidad. Entre dichas soluciones se con-taban diversos desarrollos de cimentaciones autoflotantes de gravedad, y distintas tipologías de jackets, como solucio-nes ambas amplia y satisfactoriamente usadas en otros sec-tores y en particular en el oil and gas, lo que las convertía en la opción natural para la siguiente generación de parques más profundos y máquinas más pesadas. Así, los jackets vieron su primera aplicación en la eólica marina a final de dicha dé-cada, en parques como Beatrice o el primer parque alemán de Alpha Ventus (2009). Conceptualmente claras, estas celo-sías emplean tubos metálicos y pueden adoptar diversas for-mas aunque hasta la fecha han sido casi siempre de 4 patas de suave inclinación. En general apoyan en el fondo a través de otros tantos pilotes hincados convencionales de reducido diámetro y que, al contrario que el monopilote, reciben fun-damentalmente carga vertical.

Finalmente, cabe comentar que, sin embargo, y contra el pronóstico generalizado, los últimos años han demos-trado que ese umbral de aplicabilidad de las cimentaciones con monopilote podía llevarse bastante más allá de lo que el sector en general venía anticipando. Ello ha dado lugar al nacimiento de la siguiente generación de monopilotes, lla-mados XL o XXL, cuya viabilidad técnica para parques en el entorno de los 35-40 m y 6 MW de potencia unitaria se da ya por demostrada.

1.2. Procesos de instalación de parques eólicos marinos

Los procesos y medios de instalación son un aspecto absolutamente decisivo en la idoneidad, economía, riesgo y escalabilidad de cualquier solución que pueda plantearse para la construcción de parques eólicos marinos. Hasta la fecha, la instalación de cada una de las más de 3 000 cimen-taciones, torres o aerogeneradores marinos que operan en el mundo ha tenido siempre un elemento en común: el uso de grandes medios marinos de heavy-lift. El protagonismo de estos impresionantes medios es muy acentuado, hasta el punto de convertirse en no pocas ocasiones en un cuello de botella que por un lado condiciona la logística y gobier-na los costes y riesgos de la construcción de parques, y por otro limita la capacidad de la industria ante el nuevo para-digma hacia el que el sector se dirige: máquinas más gran-des en aguas más profundas

Figura 2. Barco Jack-up instalando monopiles y gran grúa flotante instalando jackets.

Básicamente dichos medios se agrupan en dos catego-rías: las grandes grúas flotantes y los barcos jack-up equi-pados con grandes patas descendibles que permiten apoyar en el fondo marino para elevar fuera del agua todo el casco de la embarcación (figura 2).

Estos medios específicos son muy escasos. Además, a pesar de sus mejoradas capacidades y prestaciones, siguen imponiendo decisivas restricciones en la cada vez más acentuada tendencia hacia aerogeneradores mayores y par-ques en aguas más profundas. Resulta ilustrativo, por ejem-plo, que sólo existen en Europa tres o cuatro barcos capaces de instalar un aerogenerador de 8 MW incluso a profundi-dades medias, y que en otros países avanzados con enor-me tradición marina como Japón, sencillamente no existe ninguno

2. LA TECNOLOGÍA ELISA

Siendo conscientes del reto descrito, al que el sector se dirige, en los últimos 5 años ESTEYCO ha desarrollado y patentado la nueva tecnología ELISA, con el objetivo de poder contribuir a superarlo. Para ello Esteyco ha conta-do con el apoyo de instituciones de desarrollo tecnológico de referencia tanto a nivel nacional como internacional, in-cluyendo al CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial) o a los programas europeos eureka Eurostars, EEA Grants u Horizon 2020. Empresas de reconocida tra-yectoria en los sectores marítimo, naval u offshore han co-laborado con Esteyco en dicho desarrollo, destacando ALE Heavylift, e incluyendo al propio Cedex.

Se trata de una solución de cimentación y torre para aerogeneradores marinos conceptualmente sencilla, pero muy ambiciosa en las principales ventajas que persigue: nada menos que permitir una completa independencia de los grandes medios marinos de heavy-lift para la instalación del aerogenerador completo, que no tiene precedente en el sector, posibilitar una plena escalabilidad tanto en capaci-dad como en medios constructivos para atender la siguien-te generación de parques más profundos con turbinas que tenderán a los 10 MW, y ante todo –y en consecuencia– ge-nerar una importante reducción de coste no sólo en la ins-talación sino también en la fabricación.

Para ello, la solución ELISA –ilustrada en la fig. 3– em-plea una cimentación de gravedad convencional a modo de plataforma provisionalmente flotante, que integra una to-rre telescópica autoelevable junto con el propio aerogene-rador completo. La torre telescópica permite bajar el centro de gravedad del conjunto, de modo que la plataforma pue-de ser autoestable mientras la torre está plegada. Ello per-mite llevar a cabo el completo ensamblaje del conjunto en puerto, en condiciones plenamente controladas y evitando los riesgos inherentes a los ensamblajes en alta mar. La ins-talación en parque puede llevarse a cabo con medios au-xiliares de reducido coste y remolcadores convencionales como único medio de apoyo.

A pesar de ser una solución pionera a nivel mundial, se basa únicamente en la integración de sencillos sistemas y medios que se han empleado por doquier en otros sectores, como los heavy-lift strand jacks, cuyo ratio de coste por to-nelada de capacidad de elevación es entre tres y cuatro ór-denes de magnitud más bajo que el de un jack-up elevando cargas a 100 m de altura.

2.1. Torre telescópica autoelevable

Componente distintivo de la tecnología ELISA, la con-figuración telescópica de la torre eólica permite bajar el centro de gravedad del conjunto durante el transporte re-molcado, haciendo posible que la plataforma de cimenta-ción actúe provisionalmente a modo de barcaza autoestable sobre la que el sistema completo puede pre-ensamblarse en puerto.

Figura 3. Tecnología ELISA. La plataforma de cimentación por gravedad actúa provisionalmente como platoforma flotante que integra una torre telescópica autoelevable. El conjunto puede ensamblarse por completo en puerto junto con el aerogenerador y remolcarse al parque, donde la torre se eleva sin nece-sidad de grúas o embarcaciones pesadas.

El sistema de torre telescópica consiste en distintos tramos tubulares de torre que se premontan en puer-to en configuración “plegada”, junto con la turbina y las palas. Una vez el conjunto se ensambla en puerto, se re-molca hasta el emplazamiento, y se lastra para descansar sobre el fondo marino, la torre se iza hasta su configu-ración definitiva por medio de cables y gatos de izado, que se reutilizan para elevar sucesivamente cada tramo de torre. Los gatos recuperables que izan cada tramo se apoyan sobre el tramo inmediatamente inferior, que a su vez guía el tramo izado en su ascenso, en un proce-so de autoelevación en el que la propia torre es la única estructura de soporte requerida. Todos los trabajos para dicha operación de despliegue de la torre, incluyendo la ejecución de las juntas horizontales que unen los distin-tos tramos entre sí, se pueden llevar a cabo desde una única plataforma de trabajo, situada en la cabeza del tra-mo inferior de la torre, que se aprovecha también en si-tuación definitiva como plataforma de acceso a la torre y el aerogenerador.

Todo el sistema fue probado y puesto a punto por ES-TEYCO en colaboración con ALE Heavylift en una torre de pruebas a escala real construida en Daganzo, Madrid (fig. 4). Sus positivos resultados permitieron ensayar y probar el sistema en distintas condiciones, certificarlo y mostrar al mercado su viabilidad y sencillez.

2.2. Minimizar el trabajo en el ma

Esencial en la concepción de la tecnología ELISA, la an-terior puede considerarse una regla de oro de cualquier so-lución que pretenda un óptimo control de riesgos y aspire a maximizar las capacidades de industrialización en la cons-trucción e instalación de subestructuras y aerogeneradores marinos. La solución ELISA permite un completo pre-en-samblaje de todo el conjunto formado por cimentación, to-rre y aerogenerador en puerto, lo que no tiene precedentes en lo que a aerogeneradores apoyados en el fondo marino se refiere. Esta es una cualidad esencial para generar pro-cesos constructivos altamente industrializados, con los ele-vados ritmos de producción que el sector demanda y un mejorado control de riesgos.

Figura 4. Tecnología ELISA. Vista interior de torre telescópica de prueba a escala real construida en Daganzo de Arriba, Madrid

La configuración telescópica no sólo ofrece ventajas disruptivas en lo que se refiere al proceso de instalación marina, sino que también simplifica enormemente el tra-bajo de ensamblaje en puerto al reducir notablemente la altura de trabajo requerida para el montaje de los gran-des componentes de torre y aerogenerador. Lo que posi-bilita un mejor aprovechamiento de las infraestructuras portuarias existentes, habitualmente preparadas para el manejo de grandes pesos, pero no a grandes alturas. A lo anterior se suma un diseño de la plataforma de cimenta-ción que permite calados reducidos (menor a 8 m) y el hecho de que la flotación autoestable del conjunto hace posible el acopio de unidades a flote, reduciendo mucho los reque-rimientos de espacio portuario necesario para la produc-ción. Todo ello hace que el abanico de áreas portuarias adecuadas para una eventual fabricación sea suficiente-mente amplio.

En definitiva, el esquema general de construcción e ins-talación es relativamente sencillo, como se ilustra en la fi-gura 5

Figura 5. Tecnología ELISA. Proceso general de construcción e instalación.

La cimentación y la torre se construyen en puerto, don-de también se instala el aerogenerador. Todo el conjunto se transporta hasta su ubicación definitiva en el parque eólico marino y allí, llenando el interior de agua, se lastra. Una vez apoyada en el fondo, la torre telescópica se despliega gra-cias a los gatos de izado.

Es cierto que existen otras soluciones en distinto grado de desarrollo, que:

  1. Bien consiguen remolcar únicamente una cimentación autoflotante; es decir, no se evita el gran medio para instalar torre y turbina (p.ej. Gravitas o Seatower).
  2. Bien consiguen transportar toda la estructura, in-cluida torre y turbina, que se ensamblan en puerto, pero empleando para ello un gran medio de trans-porte ‘ad hoc’ (p.ej. proyecto GBF).

En definitiva, la tecnología ofrece las siguientes ventajas:

  • Reducción significativa del coste respecto a las solu-ciones actuales (> 35%), sobretodo para profundida-des mayores de 35 m.
  • Completa independencia de grandes medios marinos.
  • Construcción y ensamblaje en tierra/puerto, turbina incluida, minimizando así las tareas en el mar, y re-duciendo notablemente el riesgo.
  • Muy fácil de industrializar, empleando además entre un 80 – 90% de medios locales en todo el proceso.
  • Fácilmente escalable, pudiendo adaptarse a distintos tamaños de turbina y profundidades.
  • Empleo exclusivamente de medios asequibles (grúas, remolcadores, etc.), lo que redunda en una gran fle-xibilidad en la planificación de la construcción e ins-talación.
  • El hormigón es más robusto y duradero que el ace-ro empleado en otras soluciones, sobretodo en am-biente marino.

Finalmente, en cuanto a su producción en serie, cabe destacar que en Esteyco hemos realizado ya diversos casos de estudio, basados en parques eólicos reales, que nos han permitido corroborar la viabilidad y ventajas de la tecnolo-gía. Unas instalaciones de fabricación en puerto con un área aproximadas de 8-10 Ha permitirán producciones no infe-riores a 60 unidades año (>1 unidad/semana), culminando la fabricación e instalación de todas las unidades de un par-que comercial medio de 500 MW en menos de dos años.

Figura 6. Tecnología ELISA. Fabricación en serie. Implantación en un puerto real.

3. DE LA TEORÍA A LA PRÁCTICA: EL PROYECTO ELICAN

ELICANActualmente ESTEYCO está finalizando la construc-ción de un prototipo a escala real, que se espera que esté produciendo energía en el año 2018.

El prototipo cuenta con una importante financiación de la unión Europea, a través de los proyectos ELISA/ELICAN que fueron seleccionados en el programa Horizonte 2020 en-tre un gran número de muy diversos proyectos de toda Eu-ropa que competían por dichos fondos para la investigación y el desarrollo. Esteyco lidera el consorcio que lleva a cabo el proyecto, en el que también participan SIEMENS-GAME-SA, ALE Heavylift, UL-DEWI (Deutsches Windenergie Ins-titut) y PLOCAN (Plataforma Oceánica de Canarias).

Figura 6. Tecnología ELISA. Fabricación en serie. Implantación en un puerto real.

El prototipo soportará un aerogenerador de 5 MW ple-namente operativo y se ubicará a una profundidad de 30 m. Con un diámetro de rotor de 132 m, se convertirá en el mayor aerogenerador de España y el primero en todo el sur de Europa instalado sobre el fondo marino. El coste estimado para la construcción del prototipo será de apro-ximadamente 15 M€, lo que a pesar de los importantes cos-tes ligados al prototipaje, a la insularidad, a su completa monitorización y a las inversiones en instalaciones y me-dios constructivos repercutidos a una única unidad, arro-ja ratios de coste de 3 M€/MW que incluso tratándose de un prototipo se sitúan por debajo de los actuales costes de mercado en parques en serie, lo que da idea de la economía y el potencial de la solución.

Su cimentación, con un diámetro de 32 m y un puntal de 7 m, servirá de apoyo a una torre telescópica de 3 tra-mos que situará el aerogenerador a una altura de 115 m sobre la cota de apoyo en el fondo marino. Los tramos de la torre se componen de un total de 12 dovelas de hormi-gón prefabricado, que se transportan hasta el puerto y se pre-ensamblan para conformar cada uno de los 3 tramos tubulares de la torre.

Para llegar hasta aquí, se han seguido, durante los últi-mos años, cada una de las fases necesarias para ir validando la tecnología (figura 8), entre las que destacan:

  • Diseño conceptual y básico
  • Diseño de detalle
  • Ensayos de laboratorio de los componentes críticos (juntas de la torre telescópica).
  • Ensayos a escala en tanque de pruebas
  • Prototipo ‘onshore’ a escala real de la torre telescópica (figura 4)
  • Certificación (DNV-GL y TÜV-SÜD)

Figura 6. Tecnología ELISA. Fabricación en serie. Implantación en un puerto real.

Actualmente se están llevando a cabo diversas pruebas de los distintos sistemas y procedimientos para el lastrado de la cimentación y el izado de la torre, ensayando todos los equipos en distintas situaciones y facilitando la comple-ta certificación del sistema. Una vez completadas las prue-bas, el prototipo será remolcado hasta su emplazamiento final en el área de ensayos de PLOCAN (figura 9), promo-vida conjuntamente por el Gobierno de Canarias y el Mi-nisterio de Economía y Competitividad (MINECO), y que cuenta ya con la reserva y los permisos para llevar a cabo este tipo de proyectos. Allí, como actividad final, el prototi-po será ampliamente monitorizado tanto durante su insta-lación como durante su posterior operación.

4. CONCLUSIONES

En el presente artículo se han esbozado las característi-cas principales del mercado eólico offshore y, en particular, aquéllas referidas a la construcción e instalación de las es-tructuras que soportan a las turbinas generadoras de elec-tricidad.

A partir de éstas, se han podido explicar las cualidades de la tecnología desarrollada por ESTEYCO, que permiti-rá la instalación de dichas estructuras sin necesidad de los grandes medios (buques y grúas marinas) necesarios en la actualidad a tal efecto.

Dichas cualidades se resumen básicamente en la au-to-flotabilidad de la estructura durante su transporte, y en que se trata de una torre telescópica que puede ir plegada en el trayecto. Ambas características permiten el remolque y el fondeo de la estructura empleando sólo remolcadores convencionales, y con la turbina ya montada sobre ella des-de puerto.

La tecnología se encuentra en un estado muy avanza-do de desarrollo; en la actualidad se está construyendo un prototipo a escala real en Gran Canaria.

Figura 6. Tecnología ELISA. Fabricación en serie. Implantación en un puerto real.

Dicho pionero prototipo, en suma, aspira a ser al tiempo final y principio. Final de un exigente proceso de desarrollo tecnológico, e inicio del camino para que la tecnología resultante pase a contribuir de forma pro-ductiva a un más limpio, sostenible y económico merca-do energético.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Dada la novedad del concepto, no se cuenta con nin-guna referencia relevante al respecto. No obstante, para la adecuada consecución del proyecto, y su validación por el organismo competente, se han observado las siguientes normativas.

Normativa de rango superior:

DNVGL-ST-0126: Support Structures for Wind Turbines (Apr. 2016).

EUROCODE-2 / EN-1992: Design of Concrete Structures

EUROCODE-3 / EN-1993: Design of Steel Structures.

DNVGL-ST-N001: Marine operations and marine warranty (Jun. 2016).

Normativa general:

GL-Noble Denton 0001-ND Rev. 01.1: General Guidelines for Marine Projects (Jun. 2016).

GL-Noble Denton 0013-ND Rev. 08.1: Guidelines for Load-outs(Jun. 2016).

GL-Noble Denton 0015-ND Rev. 05.1: Guidelines for Concrete Gravity Structures (Jun. 2016).

GL-Noble Denton 0030-ND Rev. 06.1: Guidelines for Marine Transportations (Jun. 2016).

DNV-OS-J101: Design of Offshore Wind Turbine Structures (May. 2014).

DNV-OS-H101: Marine Operations, General (Oct. 2011).

DNV-RP-H103: Modelling and Analysis of Marine Operations(Apr. 2011).

DNV-RP-H101: Risk Management in Marine and Subsea Ope-rations (Jan 2003).

DNV-OS-C301: Stability and Watertight Integrity (Jul. 2014).

DNV-RP-H104: Ballast, Stability and Watertight Integri-ty-Planning and operating Guidance (Sep 2011).

IEC 61400-3: Design requirements for offshore wind turbines(2009).EUROCODE-1 / EN-1991: Actions on Structures.