Cimentación por gravedad para la instalación de aerogeneradores offshore. Objeto de la invención

La invención tiene por objeto una cimentación por gravedad para la instalación de aerogeneradores offshore y torres meteorológicas, que está fabricada en un dique flotante para ser remolcada a su lugar de ubicación definitiva, donde se fondea quedando finalmente totalmente sumergida debajo del nivel del mar, sobresaliendo de ella un fuste o una estructura que soporta el aerogenerador o infraestructura offshore.

Estado de la técnica

El sector industrial de las energías renovables marinas está creciendo a un alto ritmo en Europa, concretamente la energía eólica offshore, pues este tipo de energía puede contribuir a cubrir la creciente demanda de energía eléctrica con un mínimo impacto ambiental. El principal factor limitante del desarrollo de este sector es la profundidad a la que han de cimentarse las estructuras offshore de los aerogeneradores. Puesto que han de situarse lejos de la costa, por lo que generalmente la profundidad a la que finalmente se ubica el parque eólico puede alcanzar valores importantes según la localización y las características geotécnicas del fondo marino. Es por ello que son necesarios estudios exhaustivos de las cimentaciones a adoptar como solución.

Actualmente existen dos tipos de estructuras offshore: estructuras fijas y estructuras flotantes. Las cimentaciones de las estructuras fijas son a su vez clasificadas en distintas tipologías: cimentaciones con monopilote, cimentaciones por gravedad y cimentaciones metálicas tubulares. Estas tipologías requieren un transporte e instalación con buques y medios especiales.

Las cimentaciones tipo monopilote se componen típicamente de tres elementos: el pilote de acero, que se hinca en el fondo marino, una pieza de transición que sirve de sujeción a la superestructura y una plataforma para el acceso a la torre o a la estructura del aerogenerador. Esta solución resulta más económica para profundidades menores y para terrenos con características geotécnicas que permitan la penetración.

Las cimentaciones por gravedad son grandes cimentaciones de hormigón o de acero que aseguran las estructuras offshore por su propio peso, proporcionando estabilidad al conjunto al transmitir directamente las cargas al terreno. Suelen tener forma troncocónica o cilindrica y su instalación requiere una preparación previa del lecho marino y un buque especial para su transporte hasta la ubicación final. Las cimentaciones tubulares pueden ser fundamentalmente en trípode o tipo celosía. Estas cimentaciones pueden emplearse a mayores profundidades, y son apropiadas para estructuras offshore de mayor tamaño, con el consecuente aumento de coste económico. Estas tipologías requieren un transporte e instalación con buques y medios especiales.

Por otro lado, son sobradamente conocidos los cajones portuarios fabricados en dique flotante. Se trata de estructuras de hormigón armado de grandes dimensiones que por su sección transversal aligerada (multicelular) pueden flotar una vez terminadas. Eso les confiere una gran versatilidad en cuanto a construcción (mediante la técnica de encofrado deslizante), transporte flotando y colocación (fondeo) en la obra portuaria, ya sea para muelles, diques u otros. Los diques (obras de abrigo) y muelles (obras de atraque) de cajones son una tipología especialmente utilizada en los puertos españoles, cuya fabricación por medio de diques flotantes es bien conocida en nuestro país, siendo las empresas solicitantes líderes a nivel internacional de la tecnología de construcción de cajones de hormigón armado mediante deslizado en dique flotante, ya que han construido hasta la fecha más de 3.000 unidades.

Por lo general los cajones portuarios tienen forma paralelepipédica, con planta rectangular o cuadrada, si bien en algunos casos especiales han sido empleados cajones con otras formas con objeto de adecuarse a los condicionantes de cada proyecto.

El documento ES 2 378 960 de INNEO describe una estructura para cimentación de gravedad para aerogeneradores marinos, con una parte troncocónica de la base, que no es deslizable en un dique flotante y que carece de las estructuras auxiliares de flotabilidad, necesarias para mantener la estabilidad del conjunto durante las fases de fondeo

El documento WO 2009/130343 de ACCIONA WINDPOWER describe un soporte de sustentación para un aerogenerador marino, consistente en un cajón de hormigón armado construible en dique flotante como cimentación de gravedad. El cajón queda emergido en su parte superior, por lo que esta solución limita su rango de aplicación en cuanto a calados, condición impuesta por las capacidades de los diques flotantes existentes y por los calados requeridos en los muelles de fabricación. No pierde cubierta en ninguna fase durante el fondeo (mantiene el mismo procedimiento que los fondeos de los cajones portuarios convencionales), con lo cual evita fases críticas a costa de aumentar sustancialmente las cargas de oleaje en fase de servicio, pues el oleaje impacta directamente sobre el cajón. Este aumento de cargas solicitantes lleva también aparejado un importante aumento de los materiales (hormigón, acero y relleno), con objeto de darle estabilidad frente a dichas cargas. Por otra parte el cajón tiene una planta rectangular o cuadrada y no circular, lo cual se traduce en un significativo aumento de las cargas de oleaje.

Descripción de la invención

La invención se propone dar solución al problema de la ejecución de una cimentación a mayores profundidades y con suelo de características heterogéneas para estructuras offshore, minimizando los costes y optimizando la secuencia de construcción. Se plantea una solución mixta para cimentaciones que comprende una cimentación CGF (Concrete Gravity Foundation) basada en un cajón estanco hexalobular, más un fuste metálico o de hormigón o una celosía (jacket), también metálica.

Está previsto realizar la fabricación de este cajón en un dique flotante, técnica de construcción que está fuertemente implantada en España y, de hecho, se viene aplicando con éxito tanto en la construcción de obras de muelles y otras estructuras de atraque, diques de abrigo verticales, etc.. Los cajones portuarios son estructuras de hormigón armado de grandes dimensiones que por su sección transversal aligerada (multicelular) pueden flotar una vez terminadas, lo que les confiere una gran versatilidad en cuanto a construcción (mediante la técnica de encofrado deslizante), transporte flotando y colocación (fondeo) en la obra portuaria, ya sea para muelles, diques u otros. Por lo general los cajones portuarios tienen forma paralelepipédica, con planta rectangular o cuadrada, si bien en algunos casos especiales han sido empleados cajones con otras formas con objeto de adecuarse a los condicionantes de cada proyecto.

La solución propuesta para la cimentación consta pues de tres elementos: la cimentación propiamente dicha de hormigón, un fuste metálico (o de hormigón) o una celosía y elemento de unión entre la superestructura del aerogenerador o infraestructura offshore y la cimentación.

La cimentación está formada por un cajón autoflotante de hormigón en forma de prisma recto, cerrado por su base, provisto de celdas verticales interiores interconectadas entre sí y con el exterior, dotadas de dispositivos de vaciado y llenado que permite la autorregulación del nivel de lastrado para el fondeo en su ubicación final. Superiormente este cajón está cerrado por medio de al menos una tapa retirable después del fondeo de la cimentación. Así mismo dispone de al menos un nudo hormigonado en al menos una de las celdas del cajón, que define medios de conexión de un fuste o estructura que une el cajón con la superestructura en la que se fija a su vez el aerogenerador o la infraestructura offshore.

Según la presente invención dicho cajón presenta una sección lobular, en disposición circular, donde cada uno de dichos lóbulos presenta una configuración trapezoidal, de lateral externo curvo-convexo, mientras que el lateral interior es una porción de un tabique que determina una celda central sensiblemente circular. Cada uno de estos lóbulos está dividido en celdas por al menos un tabique de sección sensiblemente circular. Se ha previsto que el radio de curvatura de cada uno de los lóbulos en los que se divide en planta sea menor que el del cuerpo de la cimentación determinando en conjunto este aspecto lobular.

La tapa o tapas de cierre presentan una configuración equivalente al cajón o a cada uno de dichos lóbulos y un apoyo sobre dicho cajón que permite la retirada de la tapa o tapas una vez fondeada la cimentación, antes de su relleno con un material de lastre. El número de lóbulos que conforman la planta del cajón que conforma la cimentación se ha previsto que esté comprendido entre 5 y 8 y óptimo se considera que sería 6, con lo cual se podría definir la planta del cajón como hexalobular. La base del cajón presenta una planta poligonal de mayor grosor que las paredes del cajón. Esta base normalmente sobresale ligeramente de la planta del cajón y presenta una configuración poligonal con la finalidad de que resulte de más fácil fabricación, ejerciendo funciones de contrapeso con el objeto de bajar el centro de gravedad, que permita una gran estabilidad de flotación, durante su traslado o en las tareas de fondeo.

En principio se ha previsto que la tapa de cierre, cuando es un objeto que cubre la totalidad del cajón también ocupe la celda central; no obstante también es posible una realización en la cual existe una ventana central en correspondencia con esta celda. Cuando se emplean varias tapas de cierre éstas se corresponderán con los lóbulos que conforman el cajón y no cubrirán la celda central; de esta forma es factible fijar primero el mástil antes de hundir la cimentación, sin detrimento de poder retirar una a una las tapas una vez fondeada. El fuste empleado puede ser metálico o de hormigón, en cualquier caso queda anclado en la celda central del cajón, de forma que éste actúa como una zapata de la superestructura de la torre meteorológica o del aerogenerador. La unión se realiza mediante un nudo de hormigón y barras pretensadas. También es posible emplear una estructura tipo jacket o celosía, en este caso el ensamblaje al cajón se realiza con el mismo tipo de unión pero en varios nudos distribuidos convenientemente en distintas celdas del cajón. Tanto en el fuste como en la celosía se pueden disponer la zona de atraque o embarcadero, así como escaleras de acceso y plataformas intermedias. Por su parte el elemento de conexión de la cimentación con la superestructura es una plataforma metálica que queda unida tanto al fuste como a la superestructura (torre del aerogenerador), y que termina en una superficie de trabajo en la que pueden disponerse equipos de mantenimiento, instrumentación y elementos auxiliares para operaciones. Este elemento es diseñado, además, para establecer una plataforma de trabajo que permite la circulación de operación, instalaciones auxiliares de alimentación energética y accesos desde el fuste de modo seguro, e, incluso, el izado de materiales desde la plataforma.

El diseño de esta cimentación se basa en tres aspectos principales: el diseño estructural, adaptado a los esfuerzos en fase de servicio, el diseño hidráulico, permitiendo un comportamiento óptimo en flotación y frente a las carga de oleaje y corriente y por último en aspectos funcionales, facilitando el lastrado definitivo y el posible vaciado para la retirada de la unidad al final de la vida útil. El diseño estructural supone una aplicación novedosa de arcos apoyados horizontalmente que permiten la transmisión de esfuerzos a través de nudos de tres paredes en equilibrio, eliminando estructuras críticas. Esta disposición permite una optimización estructural simplificando el armado de las paredes, reduciendo las cuantías de acero necesarias y facilitando su instalación al evitar la mayor parte de nudos de 90 ^e . La estructura interior favorece la distribución eficiente de esfuerzos desde la subestructura central hacia la base. Adicionalmente la planta supone un incremento de la superficie de apoyo en la banqueta.

En referencia a las características hidráulicas y navales la planta del cajón permite ampliar la capacidad de flotación del cajón y combinado con el ahorro de peso en el fuste a bajar el centro de gravedad aumentando la estabilidad. La forma permite, así mismo, aumentar la inercia de flotación de la estructura proporcionando menores calados en la botadura, lo que permite reducir las exigencias en el punto de fabricación en cuanto a profundidad. La forma redondeada lobular favorece el flujo de agua, reduciendo la resistencia al avance durante la navegación y los empujes por oleaje y corrientes. A ello contribuye el frente de ataque más acentuado por la curvatura de cada lóbulo y la suavidad de los flancos al flujo del agua. El último grupo de mejoras de esta cimentación provienen de sus aspectos funcionales: La ausencia de cubierta fija, lo cual permite el llenado del cajón con el material de lastre por multitud de medios, desde relleno hidráulico con draga, pasando por colocación con cuchara a vertido por tubería de material de cantera. La accesibilidad de las celdas permite asegurar la posibilidad de vaciado de las mismas al final de su vida útil, para el posterior reflotado del cajón, lo que permite evitar cualquier afección permanente al medio de implantación. Para conseguir que el proceso de fondeo se efectúe de forma autónoma y sin intervención de buzos se ha previsto que cada una de las celdas interiores del cajón esté comunicada con una serie de celdas contiguas formando zonas de llenado independientes entre sí, cada una de las cuales dispone de al menos un conducto de acceso con el exterior, interponiéndose en dichos accesos dispositivos que permiten o no el paso de fluido durante las operaciones de fondeo.

El fuste, metálico o de hormigón, o estructura de tipo celosía que se une al cajón y que soporta el aerogenerador o la torre meteorológica dispone superiormente de un elemento metálico de conexión entre él y la superestructura de dicho aerogenerador o de dicha torre meteorológica. Opcionalmente también dispone superiormente de una zona de atraque o embarcadero, plataformas de descanso y escaleras de acceso, así como de una plataforma de mantenimiento y de instrumentación.

En resumen, esta cimentación presenta algunas ventajas destacables:

- La forma geométrica del cajón de la cimentación, con paredes rectas lo hace fácilmente ejecutable en un cajonero, técnica habitualmente empleada en el sector marítimo-portuario, bien conocida y estandarizada, lo que minimiza costes y aumenta el ritmo de producción.

- Su calado es menor que otras cimentaciones de este tipo, lo cual permite fabricarlo en mayor número de sitios.

- También emplea menos hormigón y reduce la cantidad de acero por cimentación de forma notable

- Presenta una base mayor mejorando el apoyo en el terreno

- Es más estable reduciendo el tamaño global de la cimentación

- Navega mejor, ahorro en combustible para remolcadores

- Ahorro de material y tiempo de construcción por la ausencia de cubierta superior definitiva

- La utilización de una tapa o tapas desmontables permite la navegabilidad y fondeo y, una vez fondeada la cimentación, retirar la tapa, facilitando el relleno de celdas desde el exterior con diferentes materiales de lastrado, de forma sencilla por vertido directo o por tubería.

- Permite la retirada del cajón al final de la vida útil.

- Se puede emplear en profundidades intermedias (de 20 m a 60 m). La verticalidad de la estructura global (torre meteorológica o aerogenerador) está garantizada por emplearse un elemento metálico de conexión, con capacidad de regulación, entre el fuste metálico o jacket y la superestructura.

- Se trata de una solución sencilla, que no requiere equipos de elevación o barcos especiales, por ser una cimentación autoflotante que puede ser transportada por remolcadores estándar.

El procedimiento constructivo está estandarizado y es bien conocido, al ser el mismo que se lleva a cabo para los cajones empleados habitualmente en obras marítimas y portuarias.

El acopio de todas las unidades que se fabrican se puede realizar en el mar, sin necesidad de tener que ocupar superficie terrestre;

Descripción de las figuras

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva un juego de dibujos en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1 muestra una vista general en perspectiva de la estructura de apoyo de un aerogenerador o de una torre meteorológica en la que el cajón (1 ) está cerrado superior por varias tapas (2a) retirables. La figura 2 se corresponde con una vista del cajón (1 ) con una única tapa (2) utilizada para los procesos de remolque y fondeo y retirable después de posicionada la cimentación en su lugar de ubicación.

La figura 3 es una vista en sección según un plano vertical que pasa por la celda central (16) del cajón (1 ) en la que se forma un nudo (19) de fijación del fuste (3) que conforma conjuntamente con la cimentación (1 ) la estructura soporte del aerogenerador.

Realización preferente de la invención Según se observa en la figura 1 se pueden distinguirse las tres partes que conforman la estructura de apoyo del aerogenerador, o de la torre meteorológica; a saber: a) Un cajón de hormigón (1 ), aligerado con celdas interiores interconectadas entre sí y con dispositivos de llenado y vaciado que permiten el lastrado y deslastrado, el cual constituye la cimentación que sustenta la estructura del aerogenerador offshore.

b) Un fuste metálico o de hormigón, (3), que conecta la cimentación (1 ) con un elemento de conexión (4) situado en el extremo superior, sobre el que se dispone la zona de atraque o embarcadero, plataformas de descanso y escaleras.

c) Un elemento de conexión (4) entre el fuste (3) y la superestructura del aerogenerador, que opcionalmente dispone sobre él de la plataforma de mantenimiento y la instrumentación necesaria para el funcionamiento del aerogenerador.

El cajón (1 ) de hormigón constituye la base de la invención y se observa en detalle en todas las figuras anexas. Este cajón es fabricado en un puerto utilizando un cajonero o dique flotante, que dispone de un sistema de encofrado deslizante como los empleados habitualmente en construcciones marítimo-portuarias en España. Una vez construido el cajón, el cajonero es lastrado hasta que el cajón queda flotando, con lo que puede ser remolcado y acopiado en el mar. El cajón autoflotante (1 ) de hormigón presenta forma de prisma recto, cerrado por su base, provisto de celdas verticales interiores (17) interconectadas entre sí y con el exterior, dotadas de dispositivos de vaciado y llenado que permite la autorregulación del nivel de lastrado para el fondeo en su ubicación final. En concreto, este cajón (1 ) presenta una sección lobular, en disposición circular, donde cada uno de dichos lóbulos (1 1 ) presenta una configuración trapezoidal, de lateral externo (12) curvo-convexo, mientras que el lateral interior (13) es una porción del tabique que define una celda central (16) sensiblemente circular. Cada uno de estos lóbulos (1 1 ) está unido al lóbulo anexo mediante un tabique radial (15) e interiormente está dividido en varias celdas (18) por al menos un tabique (14) de sección sensiblemente circular, concéntrico con la celda central (13). En las figuras se aprecia un cajón de planta hexalobular, es decir formado por 6 lóbulos (1 1 ), si bien se han hecho estudios que determinan que este número puede variar entre 5 y 8 con un óptimo funcionamiento. Cada uno de estos lóbulos (1 1 ) presenta un tabique exterior (12) con un radio de curvatura menor que el del radio del cajón (1 ), de forma que exteriormente el conjunto de los lóbulos que determinan el cajón no conforman una superficie circular del cajón, lo que permite optimizar y simplificar el armado de las paredes (12, 13,14, 15) y reducir la cantidad de acero necesaria, al tiempo que su instalación es sumamente simple ya que no existen nudos de 90 ^e ; la estructura interior favorece la distribución eficiente de esfuerzos desde la subestructura central hacia la base, al tiempo que se incrementa de la superficie de apoyo en la base (17).

La base (17) del cajón (1 ) presenta una planta poligonal y en general tiene mayor grosor que las paredes (12, 13, 14, 15) del cajón, al tiempo que sobresale ligeramente de la planta de éste. Esta base (17) ejerce funciones de contrapeso con el objeto de bajar el centro de gravedad, que permita una gran estabilidad en flotación, durante su traslado o en las tareas de fondeo.

Opcionalmente el cajón (1 ) se cierra temporalmente (hasta que se fondea) mediante una tapa (2) o con varias tapas (2a). En la figura 2 se observa una única tapa (2) que presenta una configuración equivalente al cajón (1 ), que en alguna realización también podría tener un orificio central (21 ), coincidiendo con la celda central (16) del cajón, particularmente cuando en esta celda se ha creado un nudo de conexión con el mástil (3), tal y como se aprecia en la figura 3. Por el contrario, en la figura 1 se observan varias tapas (2a), cada una de las cuales presenta una superficie equivalente a uno o varios lóbulos (1 1 ), de forma que son más fáciles de retirar ya que no es necesario desplazarlas a lo largo del fuste (3). En cualquier de los casos la tapa (2) o tapas (2a) tienen por misión mantener la estanqueidad de las celdas (18) de cajón mientras se remolca al lugar de fondeo y se efectúa un fondeo controlado del mismo; concluida esta operación se retiran de la posición de cierre del cajón (1 ), antes de rellenar éste con un material de lastre.

El cajón (1 ) presenta varias vías de comunicación con el exterior (que no se han representado), en las que se coloca una válvula de control de paso de agua hacia el interior del mismo durante el proceso de fondeo o, en su caso, durante la reflotación de la cimentación. Las celdas interiores también están interconectadas entre sí por unos conductos dotados de dispositivos de control de vaciado y llenado que permite la autorregulación del nivel de lastrado para el fondeo en su ubicación final.

En la figura 3 se aprecia en la celda (16) un nudo (19) que resistir eficazmente los esfuerzos a los que se verá sometido el conjunto de la estructura que se monta en él. El nudo (19) propiamente dicho se forma únicamente en la zona superior de dicha celda (16), lo que permite aligerar el conjunto de la cimentación y también la creación de un espacio vacío que durante el fondeo se llena de agua del mar para estabilizar y contribuir al asentamiento de la misma. Es posible una realización alternativa en la que dicho nudo ocupe la totalidad de la celda (16) en la que se fabrica.

La estructura del fuste y del elemento de unión se pueden instalar con el cajón a flote, mediante grúas, sin necesidad de tener que hacer un prefondeo en puerto.

Una vez descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como un ejemplo de realización preferente, se hace constar a los efectos oportunos que los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos descritos podrán ser modificados, siempre y cuando ello no suponga una alteración de las características esenciales de la invención que se reivindican a continuación: