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Los retos de la energía
Energías renovables en el mar: una oportunidad para la ingeniería civil
Raúl Guanche García
ICCP, Responsable del Grupo de Ingeniería Offshore y Energías Marinas. IHCantabria-Instituto de Hidráulica Ambiental y ETSI Caminos, Canales y Puertos de la Universidad de Cantabria.
César Vidal Pascual
ICCP, Catedrático Emérito.
IHCantabria-Instituto de Hidráulica Ambiental y ETSI Caminos, Canales y Puertos de la Universidad de Cantabria.
Lucía Meneses Aja
ICCP, Tecnóloga del Grupo de Ingeniería Offshore y Energías Marinas.
IHCantabria-Instituto de Hidráulica Ambiental y ETSI Caminos, Canales y Puertos de la Universidad de Cantabria.
Javier Sarmiento Martínez
ICCP, Tecnólogo del Grupo de Ingeniería Offshore y Energías Marinas.
IHCantabria-Instituto de Hidráulica Ambiental y ETSI Caminos, Canales y Puertos de la Universidad de Cantabria.
Íñigo J. Losada Rodríguez
ICCP, Director de Investigación y Catedrático. IHCantabria-Instituto de Hidráulica Ambiental y ETSI Caminos, Canales y Puertos de la Universidad de Cantabria.
De acuerdo con los datos de la EIA (U.S. Energy Information Administration, www.eia.gov) el consumo de energía en el mundo ha crecido un 105% desde 1980 hasta 2021 o, lo que es lo mismo, se ha duplicado en 40 años.
El reto de suministrar energía a las grandes urbes costeras o al nuevo desarrollo de la economía azul pasa por disponer de grandes centros de generación eléctrica en entornos cercanos a la costa, aprovechando todos los recursos disponibles con un mix energético sólido y lo más diversificado posible.
Es aquí donde las energías provenientes del mar pueden cobrar un papel fundamental. Los mares y océanos transforman y almacenan parte de la energía radiante del sol y de la rotación de la Tierra, una energía que puede ser aprovechada para el consumo humano. Se distinguen siete fuentes principales de energía en el medio marino: (1) energía solar radiante; (2) energía térmica oceánica; (3) energía por gradiente salino; (4) energía de la rotación de la Tierra (marea astronómica, y corrientes y variación de nivel asociadas); 5) corrientes oceánicas no astronómicas (viento y gradientes de densidad); 6) energía del oleaje o undimotriz; y 7) energía eólica marina. De todas estas fuentes de energía marina, solo la de las mareas y la eólica han alcanzado el desarrollo comercial, destacando la energía eólica marina por el potencial aprovechable y la disponibilidad espacial, lo cual la ha convertido en uno de los pilares de la descarbonización de la generación de energía.
En este artículo se describe el estado actual de la energía eólica marina, sus perspectivas de desarrollo tanto en parques eólicos fijos al fondo como flotantes, y las oportunidades que este desarrollo ofrece para la ingeniería civil, tanto para las empresas como para los centros de investigación, como es el caso del Instituto de Hidráulica Ambiental de la Universidad de Cantabria, en lo sucesivo, IHCantabria.
La energía eólica marina
La energía eólica marina ha pasado de ser un sector emergente a ser un sector plenamente industrial. Como muestra de esta consolidación basta decir que el primer parque eólico marino se conectó a la red en 1991 en Dinamarca con una potencia instalada de 4.95 MW (Vindeby Offshore Wind Farm) (1) y, según el Global Wind Energy Council (GWEC) (2), en el año 2021 se instalaron en todo el planeta 21.1 GW, de manera que, a finales de 2021 la potencia eólica offshore instalada era de 56 GW. Asimismo, el objetivo para 2030 es tener operativos parques de 370 GW. De esta potencia instalada, se espera que 18.9 GW corresponda a eólica sobre plataformas flotantes en 2030, siendo el precursor de estas instalaciones el parque eólico flotante de Kinkardine desarrollado por la española Cobra, con 49.5 MW instalados en 6 plataformas flotantes, 5 con turbinas de 9.5 MW y 1.2 MW, y puesto en servicio en 2021.
La tecnología eólica offshore debe contribuir a liderar la descarbonización del mix energético europeo en las próximas décadas. La Comisión Europea estima que para cumplir con los objetivos de la lucha contra el cambio climático se necesita una potencia instalada de entre 240 y 450 GW de energía eólica marina en 2050. Se espera que para entonces la electricidad represente al menos el 50% del mix energético total, donde el 30% de la demanda sea suministrada por la energía eólica marina.
Las tecnologías basadas en cimentaciones fijas forman prácticamente la totalidad de los parques marinos comerciales construidos en el mundo hasta el año 2020. Sin embargo, según recoge WindEurope (2017)3, el 80% del recurso eólico offshore en Europa se encuentra en profundidades mayores de 60 metros y, por tanto, son económicamente inaccesibles para estructuras fijas.
Las previsiones de expansión de la eólica marina en el sector energético mundial para las próximas décadas impulsan la competencia entre diferentes tecnólogos e ingenierías en un sector altamente exigente, ya sea a través del diseño de plataformas o mediante la optimización de todos los sistemas y componentes indispensables para un parque eólico. WindEurope, en sus prospectivas del sector para el 2030, pronostica que la potencia eólica instalada en Europa a principios del año 2030 será de 323 GW, de los cuales 70 GW serán potencia offshore (4). Estos números justifican la apuesta tecnológica por la eólica general y por la marina en particular dadas las capacidades científicas, tecnológicas e industriales de nuestro país, que actualmente exporta 2925 M€/año en tecnología eólica y aporta el 0.25% del PIB según la Asociación Eólica Española (5). Gracias al esfuerzo realizado en la década pasada, España dispone de 30 000 personas empleadas directa o indirectamente en el sector eólico y se espera que crezca hasta los 60 000 en 2030, unas perspectivas que pasan por alinear una apuesta estratégica nacional que conjugue la realidad de la eólica terrestre con el futuro de la eólica offshore.
La carrera tecnológica en el ámbito de la eólica marina ha sido muy significativa. La mejora en los distintos elementos que componen un parque eólico ha sido evidente. No en vano, el coste de la energía, o LCOE (Levelized Cost of Energy), de los parques instalados en 2018 según IRENA (International Renewable Agency) ha bajado hasta un promedio de 0.127 USD/kWh (6). Sin duda, esto está relacionado con que el factor de capacidad promedio haya pasado de un 35% de promedio en el año 2000 a un promedio actual en torno al 50%.
Tipologías estructurales más comunes utilizadas en eólica marina fija
Según el National Renewable Energy Laboratory de EE. UU. (el NREL) (7), en un parque eólico offshore los componentes que más contribuyen al coste de la energía son: (1) la turbina; (2) la infraestructura eléctrica; y (3) la estructura soporte o subestructura. En el caso de las subestructuras fijas al fondo, el desarrollo de diferentes conceptos ha permitido alcanzar los 40-50 metros, como ocurre en parques como el Baltic Eagle de Iberdrola o el Moray Firth de Ocean Winds. Gran parte de esta mejora está en la industrialización y estandarización de las tecnologías de cimentación.
Energía eólica offshore fija al fondo
Las tecnologías eólicas offshore actuales son fruto de un marco industrial y geomorfológico muy especial como son las plataformas continentales del mar del Norte o del mar Báltico en Europa, o en otras plataformas continentales, como es el caso de China. Por un lado, las capacidades industriales y de fabricación de grandes piezas que se reúnen en torno a estas plataformas son únicas en el mundo y, por otro, la geología de estas plataformas se caracteriza por la abundancia de fondos arenosos o limo-arcillosos que facilitan las soluciones pilotadas. Las alternativas tecnológicas desarrolladas bajo el impulso europeo se resumen en la figura de la derecha. En ella pueden observarse las tecnologías dominantes en la actualidad, que son, de izquierda a derecha: (1) monopilote; (2) trípode; y (3) estructura en celosía o jacket; (4) cajón de succión; (5) cimentación por gravedad. Todas ellas tienen un denominador común: son estructuras construidas en acero, exceptuando las soluciones en gravedad. Por lo tanto, son muy dependientes de grandes talleres y de centros de fabricación altamente especializados.
WindEurope, en su informe anual publicado en febrero de 20208, resume la evolución del sector eólico marino atendiendo, entre otros elementos, a las tipologías de cimentaciones más empleadas por el sector. Los números demuestran que en la actualidad el desarrollo se encuentra ampliamente dominado por las estructuras monopilotadas, con una cuota de mercado que llega al 81% de las turbinas instaladas. En segundo lugar, se encuentran las estructuras en celosía, que cubren el 8.9% del total del mercado. Por otro lado, el mercado está profundamente dominado por los grupos SiF (9), Lamprell (10) y el consorcio español Navantia-Windar, que conjuntamente cubren el 80% de las cimentaciones de Europa.
La eólica offshore constituye una apuesta con perspectivas globales. Como se ha indicado anteriormente, la potencia offshore instalada a finales de 2021 era de 56 GW, con una perspectiva de desarrollo para 2031 de 370 GW. Además de los desarrollos en Europa, otros países como EE. UU., China, Taiwán o Corea empiezan a destacar en todo el mundo. Por ejemplo, de los 21.1 GW de nuevas instalaciones offshore de 2021, el 80% (~17 GW) se realizaron en China, de manera que el año 2021 es el cuarto año consecutivo en que este país lidera el ranking mundial de instalaciones offshore. Los desarrollos iniciales se han sustentado en el empleo de soluciones similares a las empleadas en Europa. No obstante, la creciente demanda de contenido local en los proyectos asiáticos y americanos, así como la necesidad de disponer de grandes talleres y polos industriales cercanos a los parques eólicos en dichos países hace que sea prioritario el desarrollo de nuevas soluciones capaces de dar respuesta a los aspectos geopolíticos que, sin duda, condicionarán a nivel global el desarrollo de la energía eólica offshore más allá de la experiencia acumulada en Europa. Es especialmente paradigmático el caso de EE. UU., con grandes capacidades industriales a nivel offshore Oil&Gas, pero muy localizadas en el golfo de México. Esto provoca que los desarrollos eólicos localizados en la Costa Este de EE. UU. no puedan hacer uso de la especialización local para satisfacer la demanda.
La tecnología eólica offshore debe contribuir a liderar la descarbonización del mix energético europeo en las próximas décadas
La energía eólica offshore flotante
A medida que se agota la capacidad de instalación de parques eólicos offshore en aquellas zonas con plataformas continentales someras y que nuevos países con plataformas continentales estrechas, como es el caso de España, se incorporan al desarrollo de la eólica offshore, se abre el campo a los parques eólicos sobre plataformas flotantes. La mejora del conjunto formado por plataforma-turbina-sistema de fondeo permitirá que estas soluciones flotantes alcancen una mayor competitividad para profundidades superiores a los 50 m perfilándose así como uno de los grandes actores del mix energético mundial. La progresiva instalación de potencia eólica flotante conllevará una serie de beneficios económicos y sociales. En particular, se espera que tenga un claro impacto positivo en el aumento de empleos en el sector renovable eólico, tanto en la fabricación como en la operación y el mantenimiento.
La apuesta por la eólica offshore flotante es una realidad que queda de manifiesto gracias, entre otros grandes hitos, al parque demostrativo de la plataforma spar Hywind de Escocia liderado por la noruega Equinor, instalado y puesto en marcha en otoño de 2017 (11). El desarrollo de este parque experimental de 30 MW con 5 turbinas de 6 MW y a unos 100 m de profundidad evidencia que la explotación de los recursos eólicos puede
superar la profundidad de 50 m, ampliando el espectro de posibilidades de instalación de eólica offshore. Esta apuesta del sector por el desarrollo de plataformas flotantes queda demostrada por la cantidad de diseños de plataformas que se están llevando a cabo a lo largo de los últimos años por diversas empresas europeas, americanas y asiáticas, basadas todas ellas en conceptos heredados del Oil&Gas, como son las soluciones tipo spar, semisumergible y TLP (véase infografía a la derecha).
No obstante, este proceso expansivo de la eólica flotante tiene ciertas limitaciones e incertidumbres debido a las diferentes condiciones de contorno de cada tipología de plataforma flotante y de diseño concreto, ya que existen multitud de variables a tener en cuenta que repercuten en los costes totales de la energía (LCOE, Levelized Cost Of Energy), que básicamente pueden dividirse en CAPEX y OPEX. Dentro del CAPEX, aparte de los costes financieros, se incluyen los costes de construcción, los cuales pueden variar en función del diseño, del tipo y complejidad de la estructura y del material que se vaya a emplear (acero u hormigón principalmente); del coste del aerogenerador; del coste del sistema de fondeo (muy influenciado por la profundidad o el tipo de suelo del emplazamiento); del coste de instalación (principalmente por los medios de apoyo a la instalación, escasos y de alto coste); o de la instalación de cableado para la extracción de energía eléctrica generada, entre otros. Respecto al OPEX, se incluyen principalmente los costes de operación y explotación derivados de la generación de energía y de los costes de mantenimiento (tanto predictivo y preventivo como correctivo), junto con el coste de medios de acceso al parque y plataformas (en este caso, buques de diferentes esloras para el transporte de personal de O&M y de piezas de repuesto), entre otros. De esta forma, la estrategia por parte de los diseñadores es minimizar el LCOE actuando sobre las diferentes variables expuestas, haciendo más competitiva la tecnología y, por tanto, más elegible por parte de las promotoras de parques en los diferentes países interesados en instalar eólica flotante offshore.
Plataformas flotantes oshore (spar, TLP y semisumergible)
En esta línea, tomando como referencia los costes en 2017, un informe de WindEurope pronostica una reducción del LCOE de la eólica flotante de un 25% para el año 2030, datos que un grupo de expertos referido en dicho informe eleva hasta un 35%. (12)
Para poder alcanzar los retos impuestos por el desarrollo de la eólica offshore, es crucial la labor desarrollada por los centros de investigación. El desarrollo de investigación orientada al mercado es indispensable para progresar en la constante búsqueda de tipologías de plataformas y otros componentes que permitan diversificar las fuentes de suministro de materiales y reducir riesgos en la cadena de suministro y, de ahí, llegar a una importante reducción de riesgos financieros y económicos. Solo mediante el ensayo a distintas escalas y mediante un enfoque integral donde se combine la mecánica de fluidos, la ingeniería de los materiales, la ingeniería mecánica y la geotecnia es posible abordar los retos a los que se enfrenta la eólica flotante.
El hormigón es actualmente uno de los materiales más empleados en la construcción civil. Es un material muy conocido y fácilmente industrializable de manera deslocalizada o, lo que es lo mismo, puede ser fabricado in situ. Actualmente, el 40% de las iniciativas eólicas flotantes se basan en plataformas que emplean como material de referencia el hormigón. Esto supone un cambio de tendencia al favorecer la generación de puestos de trabajo a escala local con el consiguiente impacto socioeconómico, lo que sin duda contribuye a la mejora del LCOE y facilita la superación de barreras geopolíticas. Asimismo, el hormigón es un material inerte y muy resistente ante la acción corrosiva del medio marino. Esto contribuye, sin duda, a la mejora de los costes operacionales pues no requiere acciones correctivas ni de mantenimiento durante su vida útil. Muchas son las tecnologías que sustentan dicha afirmación: los conceptos de Ideol, Olaf Olsen, Saitec, Esteyco, Hywind- Tampen, CT-BOS, entre otros. España es un país líder en el empleo del hormigón como material de construcción. Ha sido y es un material fundamental en obras marítimas, donde se ha demostrado sobradamente las bondades del hormigón ante la corrosión y la acción biológica (biofouling). En especial, España es líder junto con Japón en la fabricación de cajones flotantes de hormigón para la construcción de puertos. Esta tecnología, basada en encofrados deslizantes sobre pontona, es un claro ejemplo de industrialización y estandarización muy necesario para la industria eólica offshore. Son numerosos los ejemplos de diques de cajones que han permitido la construcción de grandes obras portuarias en entornos complejos en tiempos récord con significativos ahorros de costes, una experiencia que puede ser fácilmente extrapolada a la producción de plataformas flotantes en hormigón.
La oportunidad de la ingeniería civil y la experiencia de IHCantabria
La ingeniería de caminos, canales y puertos ha sido una profesión que tradicionalmente ha contribuido al desarrollo económico y tecnológico de la sociedad española, de acuerdo con los retos a los que se ha hecho frente históricamente. Uno de los retos más desafiantes a los que se enfrenta la sociedad española actual es la generación de energía renovable barata. Este reto debe afrontarse mediante métodos que se apoyen en recursos locales, maximizando el tejido industrial nacional. Solo así España podrá dar un salto económico significativo y aprovechar todo su potencial social, ganando en independencia geoestratégica y jugando el papel que, por dimensión y capacidad tecnológica, le corresponde en Europa.
Todo reto es una oportunidad, y aquí la profesión tiene por delante oportunidades innumerables, tanto en el ámbito energético en general como en el ámbito marino en particular. La experiencia en la gestión de grandes proyectos de ingeniería es un valor que necesariamente será muy demandado en el desarrollo de estas grandes infraestructuras donde la ingeniería española debe jugar un importante papel a través de sus grandes compañías.
Asimismo, el éxito cosechado por ingenierías como la antigua APIA XXI (actual WSP), responsable de los primeros mástiles flotantes para la medida del recurso eólico en grandes profundidades para eólica marina flotante (proyecto Idermar); Esteyco, responsable de la primera cimentación por gravedad instalada en el sur de Europa (proyecto Elisa-Elican); o Saitec, responsable de la primera solución flotante de hormigón construida a escala real, son ejemplos que, sin duda, evidencian la pujanza de la ingeniería de caminos española, ya que, de acuerdo con la Hoja de Ruta Eólica Marina y Energías del Mar en España del Ministerio para la Transición Ecológica, de las 27 soluciones flotantes activas a nivel mundial, 7 son patentes españolas y en su mayoría se trata de prototipos innovadores que buscan reducir el coste.
A esto hay que sumar, las iniciativas precomerciales mediante proyectos demostradores encabezados por empresas líderes como Iberdrola a través del proyecto europeo Flagship mediante el cual se pretende desarrollar una solución semisumergible de hormigón desarrollada por la noruega Olaf Olsen; o el proyecto europeo Infinite mediante el cual Acciona instalará en Portugal una solución en tensión de hormigón denominada CT-BOS.
Bajo este marco de oportunidad, IHCantabria ha mostrado durante los últimos 15 años las más altas cotas de compromiso, tanto con la investigación más fundamental como, en especial, con aquella orientada al mercado en el ámbito de las energías renovables en el mar.
Su vocación de desarrollo e innovación, unida a unas instalaciones experimentales únicas en España, le ha permitido participar en más de 190 proyectos ligados al desarrollo de nuevas tecnologías para aprovechamientos energéticos en el medio marino. De estos, más del 90% están vinculados a la energía eólica marina (véanse fotografías de arriba).
Mediante la generación de nuevos productos y servicios científico-tecnológicos basados en el conocimiento, IHCantabria ha contribuido a que la ingeniería española esté a la vanguardia en entornos tan competitivos como el de la eólica marina. El desarrollo de nuevas técnicas experimentales para la validación de las tecnologías más disruptivas, así como el desarrollo de nuevos modelos numéricos con los que poder evaluar necesidades dispares —desde estrategias de operación y mantenimiento a la optimización del ensamblado en puerto— le han permitido acompañar al tejido industrial nacional en su aventura internacional. No en vano, el 70% de su actividad en el ámbito offshore tiene vocación internacional, siendo actualmente una de las señas de identidad de IHCantabria.
La ingeniería de caminos española, sin duda, es actualmente una punta de lanza en el desarrollo de soluciones fijas y flotantes para la eólica marina. Los retos y las oportunidades son innumerables en un sector en plena eclosión en el sur de Europa. En un momento clave para la sociedad española, nuestra profesión debe hacer honor a su tradición de modernidad y liderazgo y contribuir al progreso de la sociedad en encrucijadas históricas como la actual, donde la lucha contra el cambio climático debe ser la palanca para el fortalecimiento de sus cimientos.
Referencias
1
https://en.wikipedia.org/wiki/Vindeby_Offshore_Wind_Farm (consultado el 04/02/2022)
2
Global World Energy Council (GEWEC). https://gwec.net/wp-content/uploads/2022/06/GWEC-Global-Offshore-Wind-Report-2022.pdf
3
Floating Offshore Wind Vision Statement
4
Wind energy in Europe: Scenarios for 2030. Wind Europe, September 2017
8
Wiser, R., Z. Yang, M. Hand, O. Hohmeyer, D. Infield, P. H. Jensen, V. Nikolaev, M. O’Malley, G. Sinden, A. Zervos, (2011): Wind Energy. In IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation [O. Edenhofer, R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, K. Seyboth, P. Matschoss, S. Kadner, T. Zwickel, P. Eickemeier, G. Hansen, S. Schlömer, C. von Stechow (eds)], Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
13
Floating Offshore Wind Vision Statement. WindEurope, junio 2017