El
Premio
del
Prontuario
SiKa
PARQUE EÓLICO OFFSHORE:
“ESTRELLA DE MAR”
Julio Achiaga Bello
* Resumen del trabajo ganador del Premio del Prontuario Sika 2011
para Estudiantes de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos
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La energía eólica marina tiene, según los expertos, un futuro prometedor. En el mar, la velocidad del viento no experimenta grandes cambios y es por lo general menos turbulento que en tierra, por lo que se amplía el periodo de vida útil de un aerogenerador. Además pueden emplazarse torres más bajas que en la superficie terrestre.
En la actualidad los parques offshore, se sitúan en aguas poco profundas, alejados de las rutas marinas comerciales, de los emplazamientos militares y de los espacios de interés natural u ornitológico. La distancia de la costa debe ser como mínimo de dos kilómetros para aprovechar mejor el régimen de vientos, de características diferentes a los que llegan a tierra.
OBJETO DEL PROYECTO
El objeto del trabajo es diseñar una torre eólica marina cuyo fuste se pueda realizar con hormigón para poder mejorar su durabilidad y disminuir sus necesidades de mantenimiento.
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Se han tomado como puntos de partida los siguientes supuestos:
- La idea propuesta es diseñar una torre de 80 m de altura, adecuada para un aerogenerador del rango de los 3 a 5 MW de potencia nominal y con diámetro de palas de unos 120-130 metros.
- Según las características hay varias posibilidades de cimentación. Se considera en este caso el empleo de cimentaciones por gravedad (CGF), si bien esto no afecta sustancialmente al diseño de la torre de hormigón sí afecta de forma crítica a los otros usos que se le pueden dar al aerogenerador.
- El diseño de la torre se va a realizar completamente en hormigón armado y pretensado. El punto de ubicación de la torre eólica estará a 20 m de la plataforma continental.
PREDIMENSIONAMIENTO
El funcionamiento estructural de una torre de aerogenerador es como una ménsula vertical con un empotramiento elástico en la base. Dicha estructura está sometida a una serie de cargas en la parte superior de la ménsula provenientes de la nacelle y de la acción del viento sobre las palas del aerogenerador.
Además de esto se tiene la presión aerodinámica sobre el fuste de la torre y su peso.
Por lo tanto se han supuesto los siguientes esfuerzos:
x Peso propio de aerogenerador (nacelle, multiplicadora, generador, rotor y pala) = 7.000 KN
x Empuje aerodinámico sobre la torre 4 KN/m2 x Empuje aerodinámico sobre la turbina 2.000 KN
Además de estas cargas hay que tener en cuenta la excentricidad debida al peso propio de los elementos del aerogenerador. Se ha supuesto una excentricidad de 2 metros.
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Con estos datos el momento en la base de la torre sería 258.800KNm, y se considera un esfuerzo axil en la base de 22.000KN.
DISEÑO GEOMÉTRICO DE LA TORRE
Se establece la sección longitudinal siguiente:
x Sección variable de forma constante desde un diámetro de 9,0 metros a 4,5 metros.
x Espesor de pared variable constantemente desde 40cm en base de torre a 20cm a los 80 metros.
Estos espesores nos permiten incluir en el diseño un pretensado biaxial que garantice la correcta unión entre las secciones y la mejora de la durabilidad evitando la aparición de fisuración por tracción en cualquier dirección.
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Con el objetivo de aprovechar al máximo y optimizar la sección de acero de pretensado se propone realizar un pretensado helicoidal con lo que se conseguiría:
1. Asegurar la correcta unión entre las secciones de hormigón.
2. Mejorar la durabilidad al evitar mediante este pretensado biaxial la aparición de fisuras.
3. Optimizar el empleo de acero de alta resistencia en cables para pretensado.
4. Mejorar el comportamiento torsional de nuestra sección de hormigón. 5. Realizar el tesado desde la base de la torre minimizando el uso de grúas
durante el montaje.
Dimensionamos la sección de hormigón pretensado usando la Ley de Navier:
2 2 3 2 2 min 23000 / 23 / 25 , 22 258800 81 . 10 22000 81 . 10 100000 mm N m KN m KNm m KN m KN W M A F A P V
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Bastaría con emplear un hormigón HP-40. Para asegurarse que no aparezcan fisuras a medida que se sube en altura, ya que la sección y los espesores disminuyen, se aumenta la resistencia del hormigón empleado. Para ello se divide el fuste en tres familias de anillos, cada uno de 10 m de longitud. La primera familia compuesta por tres anillos ejecutados en HP-40, la familia intermedia constituida por dos en HP-50 y la última formada por dos anillos de
HP-60.
En principio la armadura pasiva a disponer sería la necesaria por cuantías mínimas además de aquella a emplear durante los procesos de montaje.
DISEÑO DEL HORMIGÓN
Se propone un hormigón para ejecutar la torre de varias características: que posea una alta resistencia, que garantice una durabilidad de 30 años y que asegure la estanqueidad.
De alta resistencia
Destaca por su mayor durabilidad, reducción de las secciones, mayor resistencia a acciones ambientales físicas o químicas (carbonatación, cloruros ) y mejores acabados.
La granulometría será de 0-16mm pobre en finos, ya que el contenido de cemento es muy alto. El árido grueso será piedra granítica partida. La forma del grano será cúbico y a ser posible con superficie rugosa. Y un factor de agua/cemento entre 0,25 y 0,35.
Los anillos que del fuste son de grandes dimensiones por lo que se opta por un hormigón autocompactable puesto en obra mediante bombeo. La consistencia fluida facilitará su compactación sin necesidad de ningún medio. Así se asegura que se cumplan los requerimientos de trabajabilidad de un
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hormigón autocompactable: capacidad de llenado, de paso y resistencia a la segregación.
Será necesario en algunos casos la adición de finos (filler, cenizas, etc.) por ser los finos factor importante para la consecución de este tipo de hormigón. El equilibrio entre estas propiedades se consigue utilizando aditivos superfluidificantes de última generación, para lograr la fluidez deseada, y controlando la viscosidad mediante el empleo de altos contenidos de polvo y/o aditivos modificadores de la viscosidad.
Nombre Dosificación Descripción
Cemento CEM I 52 350-400 kg/m3 Cemento de alta resistencia
Agua 120-130 kg/m3 Agua
Sika Fume S 92 D 10% del peso de cemento
Adicción de humo de sílice
Plastiment HP-1 0,4% del peso de cemento
Plastificante reductor de agua
Sika ViscoCrete 5-910 E 1% del peso de cemento Superplastificante exento de cloruros
Sika Pump 0,7% del peso de cemento
Reductor la resistencia a la fricción
Sika Stabilizer-229 1% del peso de cemento
Estabilizador y cohesionante
Antisol B Consumo: 0,140 l/m2 Resinas sintéticas de curado
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Que garantice una durabilidad de 30años
Para conseguir una alta durabilidad en un hormigón para un aerogenerador con parte sumergida, es muy importante estudiar su impermeabilización. El hormigón no fisurado, amasado a partir de áridos densos, debe ser absolutamente estanco a los líquido y gases. El objetivo principal es reducir la porosidad capilar.
- Para las juntas se añadirá:
Nombre Dosificación Descripción
Sika Fiber M-12 600g / m3 de hormigón Fibra de propileno para el refuerzo
Sika Control 40 1% del peso del cemento Reductor de la retracción SikaLastic 821 1,09 kg/m2y mm de espesor Poliuretano membranas impermeables.
- Para impermeabilizar el hormigón de la cimentación y del fuste:
Nombre Dosificación Descripción
Poxitar F 0,300 kg/m2 Pintura a base de resinas epoxi
Icosit 5530 0,270 kg/m2 Pintura a base de resinas PVC-acrílicas
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- Para la zona de carrera de mareas (Exposición IIIc):
Nombre Dosificación Descripción
Plastocrete-N 0,5% del peso de cemento
Impermeabilizante que aporta durabilidad
Sika Fume S 92 D 10% del peso de cemento
Adicción de humo de sílice
Sika Monotop 620 2,02kg/m2 y mm de espesor Mortero de revestimiento monocompetente Sika FerroGard-903 3,5% del peso de cemento
Inhibidor de la corrosión de las armaduras
Que asegure la estanqueidad
Para conseguir una estanqueidad de toda la zona interior de la torre se debe analizar el estado de las juntas entre anillos.
El hormigón estará tratado con aditivos que lo impermeabilicen y lo protejan de los cloruros y de agentes químicos. Logrando una barrera impenetrable. Se le adicionará un impermeabilizante que le aporte durabilidad Plastocrete-N, un micromortero de protección Sika Top 141 SP, un mortero de revestimiento Sika Monotop 620 y una pintura a base de resina epoxi Poxitar F.
Con objeto de sellar las juntas se utilizará Sikaflex Pro 3 WF indicado para casos de exposición a agentes químicos. Por último Cintas Sika PVC que actúan como barreras impermeables al agua y sirven tanto para juntas de hormigonado como para juntas de dilatación.
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PROCESO Y FORMA DE FABRICACIÓN
La estructura del fuste de hormigón estará formada por secciones completas de 10 m de longitud que serían prefabricadas en una zona portuaria.
Entre anillo y anillo para asegurar el encaje de los mismos en cada junta, se instalarán llaves de cortante, que absorberán los esfuerzos a cortante provocados por las solicitaciones normales al fuste y los esfuerzos torsionales y que garantizarán que trabajen todos los anillos solidariamente. También se dejará el espacio correspondiente para la armadura activa pasante, que fijará el lugar de montaje del siguiente anillo.
USOS ADICIONALES
Desalinizar agua del mar:
Se puede conseguir agua libre de sal hirviendo el agua de mar. El agua puede hervir a temperaturas bajas siempre y cuando la presión sea lo suficientemente baja. Se podría bajar la presión gracias a dos columnas de 10 metros de altura instaladas en el interior de la torre. Una columna saldría de un tanque con agua salada y la otra de un tanque de agua fresca, unidas por una tubería horizontal. La presión de las dos columnas
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de agua crearía un vacío en la parte superior y, con esas condiciones, se podría hacer hervir el agua a unos 40 o 50 grados, produciendo vapor de agua libre de sal.
Otros aprovechamientos energéticos:
Se plantea que adosados a las cimentaciones por gravedad se dispongan turbinas de corriente de agua. Los generadores de corriente de marea (Tidal Stream Generators o ETG) hacen uso de la energía cinética del agua en movimiento a las turbinas, de manera similar al viento que utilizan las turbinas eólicas. Este método está ganando popularidad debido a costes más bajos y a un menor impacto ecológico en comparación con las presas de marea.
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Granjas de producción de hidrógeno:
Se plantea que durante los periodos en que haya viento adecuado para la producción pero no sea necesaria la energía, dicho recurso sea empleado en la producción de hidrogeno mediante electrólisis, descomposición de agua (H2O) en oxígeno (O2) e hidrógeno (H2) por medio de una corriente eléctrica a través del agua.
Aerogenerador – escuela:
Se propone construir un aerogenerador con mayor accesibilidad, sin otros usos adicionales por seguridad de los visitantes, para convertirlo en un referente del parque eólico. Allí se realizarían visitas y seminarios a estudiantes de ingeniería de todo el mundo donde se inculcaría desde el principio de su carrera profesional la importancia de las energías renovables y el desarrollo sostenible.
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*El Premio del Prontuario Sika destinado a alumnos de los dos últimos cursos de las Escuelas Técnicas Superiores de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos del país llevaba en esta XVII edición el título de “CONSTRUCIÓN DE TORRES EÓLICAS MARINAS”. Estaba dotado con un total de 9.300 Euros en premios y se podía concursar a título individual o formando equipos de tres personas por equipo.El objetivo en esta edición era diseñar una torre eólica marina cuyo fuste se pudiera realizar con hormigón para poder mejorar su durabilidad y disminuir sus necesidades de mantenimiento, justificando su diseño geométrico, el diseño del hormigón a utilizar y la forma de fabricación, para optimizar su montaje
El jurado del concurso decidió otorgar el Primer Premio al trabajo PARQUE EÓLICO OFFSHORE: “ESTRELLA DE MAR”, presentado por Julio Achiaga Bello, de la Escuela Politécnica de Burgos.
Sika
Suministrador líder de productos químicos especializados a nivel mundial. Desarrolla, fabrica y comercializa sistemas y soluciones específicas para la construcción, en edificación y obra civil - en los campos de la reparación y protección del hormigón, el sellado de juntas, la impermeabilización estructural y el pegado rígido y elástico de distintos elementos - y en la industria, en los sectores de transporte, automoción, marina y electrodomésticos y equipos.
La gama de productos Sika incluye aditivos para hormigón de alta calidad, morteros especiales, selladores y adhesivos, materiales hidrófugos, sistemas de refuerzo estructural, pavimentos industriales y membranas impermeabilizantes.
Filiales en 74 países en todo el mundo y aproximadamente 12.500 empleados ponen en contacto a Sika con sus clientes y garantizan el éxito en todas sus relaciones comerciales.
