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Investigadores de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) patentan un modelo ‘low cost’

Presentan un nuevo aerogenerador realizado en hormigón para plataformas eólicas flotantes

Esther Güell05/10/2016

Dos ingenieros del Departament d’Enginyeria Civil i Ambiental de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), Climent Molins y Alexis Campos, han desarrollado un modelo de estructura flotante de hormigón para aerogeneradores marinos que reduce a la mitad el coste de energía puesto que ahorra directamente en su construcción y posterior mantenimiento.

WindCrete es el nombre con el que dos ingenieros de la UPC han bautizado su prototipio de plataforma flotante de bajo coste (‘low cost’) para aerogeneradores offshore. Se trata de una estructura cilíndrica con un gran flotador y un lastre en la base que le proporciona auto estabilidad.

Como principales innovaciones de este modelo, en comparación con otros parecidos que hay en el mercado, pueden destacarse dos. Por una parte, la estructura monolítica y sin juntas, que aumenta la durabilidad frente a los efectos del mar y del viento, a la vez que evita los daños que habitualmente aparecen en las zonas de transición de las estructuras.

Por otra parte, el hormigón como material base para el aerogenerador, más económico que el acero, usado hasta ahora en los aerogeneradors marinos, permitiendo reducir “hasta un 60% del coste de construcción, además de ser más resistente al entorno marino”, asegura uno de los investigadores, Climent Molins. “Ello nos permite prever una durabilida de las estructuras WindCrete de unos 50 años, cuando lo habitual es no superar los 15”. Y además, requieren de menos mantenimiento.

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Climent Molins, ingeniero, profesor e investigador en la Universitat Politècnica de Catalunya, junto al prototipo WindCrete.

"Todo ventajas"

Pero el proyecto no sólo supone ventajas por el diseño y construcción de la estructura. El prototipo está pensado para instalar en zonas con una profundidad mínima de unos 90 metros, por lo que es ideal para crear parques eólicos marinos en zonas donde no existe una plataforma continental, como es el caso de Cataluña. Permitiendo además instalar molinos de mayores dimensiones y aprovechar las horas de viento en el mar.

Pero… ¿qué lleva a dos ingenieros de Caminos, Canales y Puertos a diseñar un aerogenerador marino?

“Viendo el desarrollo de la eólica offshore en el norte de Europa nos dimos cuenta del potencial de desarrollo que esta tecnología tendría aplicada en nuestras latitudes”. Conscientes de la necesidad de desarrollar nuevos sistemas de generación de energía de una manera limpia, ambos ingenieros ven en la eólica una alternativa competitiva “y la offshore es más ‘sencilla’ que la eólica en tierra, aunque también tiene sus complicaciones”. Los proyectos del Mar del Norte son un claro ejemplo del potencial, pero no son aplicables aquí por la inexistencia de una plataforma continental que soporte las estructuras. “Con lo que nuestros proyectos deben ir mar adentro a aguas mucho más profundas”. Como ingenieros y con espírito inventor, Molins y Campos analizaron qué existe en el mercado y qué supondría una innovación. “Investigar en algo que ya existe no nos motivaba...y como ingeniero de Caminos, Canales y Puertos conocía tanto el mundo de los hormigones especiales como los revestimientos para túneles, etc., por mis trabajos en la universidad y en la empresa. En este sentido soy un poco ‘rara avis’. Conocer ambos mundos da una idea distinta de cómo hacer los proyectos”. Así, sobre el año 2010 comenzaron a investigar. Le siguió una primera tesina y un posterior trabajo de final de carrera que les permitió hacer un primer contacto con un mundo muy distinto al que estaban acostumbrados. “Y aprovechando la experiencia en ingeniería civil, tenemos conocimientos de geotécnica, conocemos el oleaje, sabemos calcular estructuras, diseñarlas..., a finales de 2011 presentamos la primera patente del concepto de lo que hoy es el WindCrete”.

Fue entonces cuando se pusieron en contacto con el Kic Innoenergy. (‘kic: knowledge and innovation community’ una agrupación de empresas innovadoras en este caso enfocadas al sector energético). Dentro de este grupo existen diferentes ramas, una de ellas focalizada a las renovables, donde están involucradas la UPC y Esade. “Es muy importante para las empresas saber que existe y que les pueden ayudar en sus proyectos de I+D”.

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Simulación de instalación del WindCrete en un parque eólico marino flotante. Foto: Kic-innoenergy.

Reducir costes, la eterna lucha

En aquellos momentos la mayoría de proyectos existentes, de alto grado tecnológico, se basaban en estructuras de acero. “Sin embargo, la política de ahorro de costes no siempre es compatible con estructuras sólidas y resistentes para instalar en el mar, un medio muy corrosivo, no lo olvidemos. Así que nos planteamos diseñar una estructura de la cual pudiéramos olvidarnos de ella y preocuparnos solamente de la turbina, que al fin y al cabo es la que produce la energía. A modo de lo que fue la energía hidroeléctrica a principios del siglo XXI”. Y el hormigón cumple con estas ventajas. “Sin olvidar que estamos en un país donde tenemos acceso fácil al cemento y al hormigón”.

Primeras experiencias

Ya en 2009 la compañía petrolera noruega Statoil plantó el primer prototipo de aerogenerador flotante a escala real: el proyecto Hywind. El primer paso del proyecto piloto que en 2015 recibió luz verde del Gobierno británico para instalar el parque piloto Hywind de Aberdeenshire (Escocia), con una capacidad de 30 MW y que se prevé concluya a finales de 2017. El que será el primer parque piloto flotante de energía eólica offshore. Pero en acero. Distinto del proyecto WindCrete, planteado en hormigón.

De la Universidad a la industria

El origen de los ‘kic’ en Europa se explica por la necesidad de trasladar, de un modo efectivo, la numerosa investigación académica que, sin embargo y pese a la muy alta calidad de ésta, no se transmitía a la empresa. “Al revés de lo que ocurre en países como EE UU o también Reino Unido”.

Es una situación que, si bien está cambiando en los últimos años, ha sido un hándicap importante para establecer relaciones entre el mundo investigador y el empresarial.

Por ello el objetivo ‘kic’ es poner en el mercado la innovación europea, promover la I+D de las empresas, impulsar la transferencia tecnológica…

Tras la primera patente realizaron las pruebas en un canal de oleaje de la UPC. Hoy pueden decir que no hay en Cataluña ningún otro grupo de investigación que se dedique a la tecnología offshore —“en España sí”, puntualiza—.

El proceso, largo, abarcó desde 2012 hasta 2014 cuando presentaron el prototipo WindCrete, desarrollado en el marco del proyecto europeo Alternative floating offshore substructure for offshore wind farms (Afosp) y en el que participaron Gas Natural Fenosa y el Instituto de Energía Eólica de la Universidad de Stuttgart y que permitió desarrollar la prueba del concepto.

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El prototipo WindCrete, en las dependencias de la Universitat Politècnica de Catalunya.

Estudios numéricos del proyecto WindCrete

Los estudios numéricos fueron pensados para verificar que el diseño es estable cuando se somete en caso de carga (DLC) de acuerdo con la norma IEC. Estos estudios han consistido en simulaciones dinámicas acopladas incluyendo el sistema de amarre, el controlador y las dimensiones estructurales para un lugar determinado, incluyendo diferentes condiciones ambientales, las condiciones técnicas del sistema de flotación e incluso teniendo en cuenta posibles casos de fallo.

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Este nuevo concepto de estructura flotante de hormigón monolítico para las turbinas eólicas en el mar tiene como objetivo utilizar materiales de bajo coste, optimizar el proceso de construcción y, en la medida de lo posible, asegurar una mayor vida útil y minimizar al máximo la necesidad de mantenimiento. Foto: Kic-innoenergy.

Más barato y rentable

Los investigadores han calculado que el nuevo sistema reduce el coste de la energía eólica obtenida a 12 céntimos de euro por kilovatio hora (kWh), lo que supone la mitad del precio real que tiene actualmente el kWh de este tipo de energía en Canarias. Estos datos son resultado de usar el diseño del WindCrete en un aerogenerador de 5 MW como turbina. Los investigadores aseguran que podría soportar incluso rotores hasta de 15 MW de potencia, con un mínimo incremento en el coste. Por otra parte, gracias a la larga vida del prototipo, se ha considerado una posible sustitución de la turbina por otra con más potencia y, por lo tanto, más rentable.

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