Incertidumbres en la cimentación y coronación en parques eólicos offshore.Criterios de predimensionamiento

Résumé

INTRODUCCIÓN. Desde hace varias décadas, la sociedad y la economía están apostando fuerte por las energías renovables en general, y por las marinas en particular. Esto es un hecho relevante puesto de manifiesto en la Agenda 2030, así como en los ODS (Objetivos de Desarrollo Sostenible), especialmente el ODS 7, que apuesta por garantizar el acceso a una energía sostenible y moderna. También en el ODS 13 (combatir el cambio climático y sus efectos) y el 14 (utilizar de forma sostenible los océanos, los mares y los recursos marinos). Dentro de las energías renovables marinas, la que más avances tecnológicos y más implantación ha tenido ha sido la eólica marina. Por ello, la mayor parte de investigaciones científicas llevadas a cabo en estos últimos años en cuestión de energías marinas se han centrado en revisar, discutir y cuestionar los diseños de los elementos estructurales y las cimentaciones de los parques eólicos offshore. Las distintas incertidumbres surgidas en este campo de la ingeniería se deben principalmente a la limitada experiencia del sector (que sólo tiene unas pocas décadas de implantación) y por las continuas modificaciones y discrepancias en la normativa existente. Estas incertidumbres han sido estudiadas en profundidad en esta Tesis Doctoral. DESARROLLO TEÓRICO. Para llevar a cabo la presente investigación, y partiendo de las incertidumbres detectadas en el ámbito de la eólica marina, se han analizado las distintas variables que entran en juego en los parques eólicos offshore, como la vida útil, el período de retorno del temporal de cálculo (y su probabilidad de presentación), los modelos ondulatorios a emplear (Airy, Stokes de diversos órdenes, Cnoidal, Stream Function, etc), los dominios hidrodinámicos, la repercusión de monomios adimensionales como KC, y sus efectos en el terreno (principalmente en la socavación). Utilizando la experiencia acumulada en el sector, se ha discutido la sensibilidad del comportamiento hidrodinámico y estructural frente a los términos no lineales en teoría de ondas, la variación del campo de velocidades y repercusión en el parámetro de Keulegan y Carpenter, así como otros efectos, como los de orden cero, uno y dos en el comportamiento de la socavación. También y como consecuencia de los diferentes fallos ocurridos en parques en servicio y explotación (principalmente debidos a las cotas de instalación de cubiertas y plataformas), se han planteado formulaciones para el cálculo del remonte (run-up), así como el alcance de la vena líquida tras el impacto sobre la estructura. Las distintas expresiones obtenidas en esta investigación han permitido la propuesta de recomendaciones de diseño para la obtención de una cota de coronación fiable, eficiente y económica en las estructuras pilotadas, así como la necesidad de proteger o no las cimentaciones frente a la socavación, comprobando la aplicabilidad de los cálculos en parques eólicos reales, como Arklow Bank o Egmond Aan Zee, entre otros. Todos los efectos anteriores sobre las estructuras de los parques eólicos offshore, tanto los que suceden en la superficie del mar, como aquéllos que se manifiestan en la cimentación, se verán considerablemente magnificados con la subida del nivel del mar. Numerosos estudios científicos cifran este fenómeno en 1 a 2 mm/año durante el pasado siglo XX, valor que se ve aumentado a 3 mm/año en la primera mitad del siglo XXI. CONCLUSIÓN. Las principales conclusiones arrojadas por la presente investigación son las siguientes: - En el dimensionamiento de las futuras instalaciones, se trata de establecer una obsolescencia programada de los parques (esto es, reducir la vida útil de los mismos), o bien considerar períodos de retorno de cálculo mucho más elevados (100 a 200 años) que los empleados actualmente. - Se recomienda una probabilidad de fallo para las cimentaciones en eólica marina del 10% (lo cual se corresponde con un tratamiento de las mismas como estructura rígida según la normativa ROM de Puertos del Estado), en lugar del 20% que generalmente se aplica (lo cual correspondería a su tratamiento como estructura flexible). - La mayoría de los parques existentes se encuentran ubicados en emplazamientos que verifican la recomendación del Ábaco de Lé Méhauté (basado en los monomios no lineales de H gT2 y h gT2) de que sean calculados siguiendo la teoría lineal de Airy, o bien teorías de Stokes de órdenes superiores. Acudir a este Ábaco (o a sus homólogos de Horikawa o Dean-Dalrymple) resulta de gran sencillez, y da una idea aproximada de cara al predimensionamiento. - Se han observado diferencias en la velocidad orbital del oleaje empleando teoría de Stokes de tercer orden frente a teoría lineal de Airy. Estas diferencias han sido de sólo el 4% en el lecho, mientras que en superficie se alcanzaron diferencias del 16%. - La normativa propone un coeficiente Psi para calcular las acciones de diseño, y asegura que éste siempre es mayor que el coeficiente de rotura del oleaje por efecto fondo (Yb). Esto no siempre sucede, lo que crea una incertidumbre que podría acarrear defectos en el diseño. - Los modelos teóricos tradicionalmente empleados para calcular la cota del run-up infravaloran este fenómeno en las estructuras offshore. Esto es debido a que inicialmente fueron concebidos para ser empleados en otras tipologías estructurales y en otro tipo de emplazamientos, en los cuales la hidrodinámica marina tiene un comportamiento diferente. - Se propone el empleo de la siguiente expresión para estimar la cota sobre el nivel del mar a la que deben instalarse las plataformas para no verse afectadas por el run-up ni sufrir overtopping: 2,50 menor Ru/Hs menor 3,00 - Deben considerarse los efectos del cambio climático a la hora de realizar los cálculos, tanto en profundidad (socavación), como en superficie (run-up y overtopping). La principal consecuencia de dicho cambio climático sobre los parques eólicos offshore es la subida del nivel del mar. Con un escenario de subida del nivel medio del mar de 0,50 m, la altura de ola podría verse incrementada hasta 0,39 m, lo que supone un incremento del run-up de 0,88 a 1,05 metros. Aplicando la recomendación de Luengo et al, la cota de coronación de las plataformas de los parques debería elevarse entre 0,98 y 1,17 metros sobre el nuevo nivel medio del mar, lo cual supone un incremento absoluto de la cota de entre 1,48 y 1,67 metros sobre el nivel actual. - Dado que la velocidad ondulatoria aumenta con el calado y con la altura de ola (que, a su vez, también aumenta con el calado), con la subida del nivel del mar se incrementará dicha velocidad. Por tanto, el número de Keulegan-Carpenter, que es directamente proporcional a la velocidad, aumentará con la subida del nivel del mar, y al ser el parámetro que gobierna el comportamiento de la socavación (según la expresión de Sumer-Fredsoe), la socavación máxima se verá incrementada con la subida del nivel del mar. Igual que en el caso anterior, podría darse la situación de que un parque que quede del lado de la seguridad durante los primeros años de su vida útil, deje de estarlo al final de la misma.