Criterios de diseño de sistemas de fondeo en plataformas eólicas flotantes

• Autores: Carlos Barrera Sánchez
• Directores de la Tesis: Raúl Guanche García (dir. tes.), Iñigo J. Losada (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2020
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Mooring systems design criteria for floating offshore wind turbines
• Tribunal Calificador de la Tesis: Diego Ferreño Blanco (presid.), Vicenzo Nava (secret.), Marco Aurelio de Araujo Alves (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Costas, Hidrobiología y Gestión de Sistemas Acuáticos por la Universidad de Cantabria
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: UCrea
• Resumen
  • español

    En los últimos años, la energía eólica marina ha experimentado un crecimiento notable llegando actualmente a poseer una capacidad total instalada de 23 361 MW en todo el mundo (2018). Prácticamente, la totalidad de esta capacidad se encuentra instalada en estructuras de tipo fijo, ancladas al fondo marino, especialmente adecuadas para profundidades intermedias y reducidas. No obstante, la instalación de este tipo de estructuras se encuentra limitada a localizaciones muy concretas en Europa (mar del Norte y Báltico), China y Japón. El primer parque eólico flotante comercial, Hywind Scotland, fue inaugurado en 2017. El desarrollo de este nuevo tipo de tecnología supone un gran avance en el desarrollo de la energía eólica marina así como la posibilidad de apertura de nuevos mercados en emplazamientos con escasa plataforma continental pero con gran disponibilidad de recurso de viento.

    El diseño del sistema de fondeo en este tipo de nuevas tecnologías flotantes es un elemento crítico, no solo desde el punto de vista operacional y de supervivencia de la plataforma flotante, sino también por el porcentaje relevante que supone en el coste total de la infraestructura y los importantes riesgos que conllevaría un fallo de la misma.

    Esta tesis tiene como objetivo contribuir al desarrollo de la energía eólica flotante, profundizando en el conocimiento de la dinámica del sistema de fondeo estableciendo recomendaciones, criterios y reglas de buena práctica para su concepción y diseño.

    En este trabajo se han investigado diferentes aspectos de interés en el diseño de sistemas de fondeo: la modelización experimental de la línea de fondeo bajo estados de carga operacionales y de supervivencia inducidos por la interacción fluido estructura; su modelización numérica a través de modelos cuasi-estáticos y dinámicos; el impacto de los parámetros de diseño (numéricos, físico-mecánicos e hidrodinámicos) en el comportamiento de la línea de fondeo; y la importancia de la descripción del oleaje ( en el dominio del tiempo y de la frecuencia) en el análisis de cargas del sistema de fondeo de una plataforma eólica flotante. Finalmente, se ha analizado también la importancia de las bases de datos metoceánicas en el comportamiento a largo plazo y a fatiga del sistema de fondeo permitiendo reducir la incertidumbre asociada a la variabilidad climática en una localización marina específica.

    Con la investigación desarrollada ha sido posible comprender el papel que desempeña el sistema de fondeo en una plataforma eólica flotante, los principales forzamientos ante los que se encuentra expuesto y su respuesta y, finalmente, los principales mecanismos que pueden inducir el fallo del sistema de fondeo (cargas extremas y fatiga). Se espera que los resultados contenidos en esta tesis doctoral sirvan de referencia a desarrolladores, gestores y fabricantes involucrados en el diseño de sistemas de fondeo de plataformas eólicas flotantes.

  • English

    Offshore wind energy has grown enormously in recent years propelled by the need to promote alternative energies. The installed offshore capacity worldwide was 23,361 MW in 2018. Currently, turbines are mounted on fixed structures, anchored to the seabed, especially suitable for intermediate and shallow depths. However, the installation of these types of structures is limited to very specific locations in Europe (the North Sea and the Baltic Sea), China and Japan. Hywind Scotland, inaugurated in 2017, was the first commercial farm with floating wind turbines. The development of this new type of technology represents a great advance for offshore wind energy, as well as the possibility of opening new markets in countries with available wind resources but with a no continental shelf.

    The mooring system design in this type of new floating technology is a critical element, not only from the operational and survival point of view of the floating platform, but also due to the relevant percentage that it represents in the total cost of the infrastructure and the important consequences that a failure would cause.

    This thesis aims to contribute to the development of floating offshore wind energy, deepen into the knowledge of the mooring system dynamics and to provide recommendations, criteria and good practice rules for its conception and design.

    Different aspects of interest in the mooring system design have been investigated in this dissertation: the experimental modelling of the mooring line under operational and survival load states induced by the fluid-structure interaction; its numerical modelling through quasi-static and dynamic models; the impact of design parameters (numerical, physical-mechanical and hydrodynamic) on the mooring line behaviour; and the importance of the wave description (in time and frequency domain) on mooring system loads of a floating offshore wind turbine. Finally, the importance of metocean databases on the long-term behaviour and fatigue of the mooring system has also been analysed, allowing for a reduction in the uncertainty associated with metocean variability in a specific marine location.

    This research allows us to understand the role of the mooring system in a floating offshore wind turbine, the main forces to which it is exposed and its response, and, finally, the main failure mechanisms of the mooring system (extreme loads and fatigue). The results contained in this dissertation are expected to serve as a reference for developers, managers and manufacturers involved in the design of mooring systems for floating offshore wind turbines.