Cómo darle cimientos sólidos a su parque eólico

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David Annan Member Name

Ingeniero Geotécnico Senior

Los parques eólicos son una de las tecnologías de generación de energía renovable que crece más rápido en todo el mundo, con una disminución proporcional del costo de la energía. Sin embargo, la inversión inicial que se debe hacer para levantar y poner en marcha un parque eólico es enorme. Uno de los mayores costos de un parque eólico, aparte de las torres, es asegurarse de que tenga fundaciones sólidas. Por esto, los desarrolladores están continuamente buscando diseños óptimos y formas de reducir costos para hacer que el proyecto sea factible, tanto en el aspecto técnico como en el económico.

Aumentar la productividad se traduce en una mayor rentabilidad, por lo que los desarrolladores están eligiendo torres más altas, con turbinas que tienen palas más largas, para maximizar la generación de energía. Sin embargo, mientras más altas son las torres, ejercen una mayor carga sobre las fundaciones. Entonces, es necesario que estas últimas sean más resistentes para evitar que las torres se muevan demasiado. La estabilidad de las torres de un aerogenerador, cuya altura puede ser de hasta 250 metros, depende de las fundaciones, ya que estas transmiten al suelo la inmensa fuerza del viento que golpea la torre, al generador y a las palas.

A pesar de que normalmente la base de los aerogeneradores está escondida, es una parte crítica para mantenerlos de pie. Las fallas en las fundaciones son poco comunes, pero si ocurren tienen un resultado catastrófico. Aun cuando no se caiga, si un aerogenerador se ladea, balancea, desliza o hunde, o si la fundación se fractura, las consecuencias para la operación y el mantenimiento de la turbina serán graves y pueden ramificarse.

Por todo esto, es esencial elegir el diseño correcto para las fundaciones que soportarán al aerogenerador, ya que su costo y desempeño deben ser óptimos.

Pasos para el éxito

¿Qué pasos se deben seguir para manejar los riesgos y tener las mayores probabilidades de éxito? Todo pasa por encontrar la combinación adecuada de la ubicación del aerogenerador y del diseño de sus fundaciones. Sin embargo, no existe una solución fácil que sirva para todos los casos.

El diseño de la fundación dependerá del tipo y del tamaño de la turbina que tiene que soportar, así como de las condiciones del terreno, y estas últimas pueden variar no solo dentro del sitio del parque eólico, sino también del espacio que ocupa un aerogenerador individual. También hay que considerar en el diseño los costos y los riesgos asociados a los distintos materiales y opciones de construcción.

Sentar las bases para elegir las fundaciones correctas en las etapas iniciales del diseño (y mucho antes de que comience la construcción) contribuirá a la factibilidad general del proyecto, ya que cualquier variación en este costoso componente, por muy pequeña que esta sea, podría tener importantes consecuencias para un proyecto con márgenes de éxito estrechos.

1. Conocimiento de las condiciones del terreno en el sitio

Conocer las condiciones del terreno donde se va a emplazar el proyecto es el primer paso indispensable para lograr un diseño eficiente y adecuado de las fundaciones.

Idealmente, ningún parque eólico se debería construir en un sitio con malas condiciones de estabilidad. Sin embargo, son tantos los factores en juego en esta etapa (por ejemplo, la calidad de los vientos, la propiedad de la tierra, la normativa y las consideraciones ambientales y sociales) que no siempre es posible evitar esta situación.

Una investigación exhaustiva del terreno consiste en realizar ensayos de laboratorio de rocas y suelo, así como ensayos in situ, basados en una revisión de gabinete previa del uso histórico del suelo y de los problemas que pudieran surgir. Esta investigación debería revelar los riesgos geotécnicos del sitio como los suelos blandos, los deslizamientos de tierra, los suelos susceptibles de colapsar, el riesgo de licuefacción y de movimientos sísmicos, los problemas relacionados con las aguas subterráneas, y la presencia de rocas formadoras de ácidos o de suelos sulfatados ácidos.

Las condiciones del terreno pueden variar significativamente a lo largo del emplazamiento de un gran parque eólico. Si estas no se anticipan o determinan al inicio del proyecto, y se descubren luego durante la construcción, será necesario hacer adaptaciones, con los consecuentes costos y retrasos al proyecto.

2. Hacer un diseño que se ajuste a las condiciones del sitio y al presupuesto del proyecto

Para cada emplazamiento de un aerogenerador existen varias opciones viables para el diseño de las fundaciones. Una de las principales restricciones será el costo. ¿Qué opción es apropiada tanto para las condiciones del sitio como para el presupuesto del proyecto? Invertir un poco más de tiempo y dinero de lo que es habitual para esta etapa puede generar un significativo ahorro de recursos en el futuro, dado que es posible que un mismo diseño de fundaciones se pueda usar para varios aerogeneradores en el parque eólico.

Las fundaciones deben diseñarse de tal manera que mantengan la carga en su lugar, según la capacidad de carga y la rigidez del suelo. El diseño geotécnico conjuga el análisis de las condiciones del terreno con el cálculo de las cargas sobre la fundación, y luego determina el tamaño y el peso de la fundación necesarios para minimizar la posibilidad de que esta falle. La resistencia, la compresibilidad y la rigidez del suelo o roca bajo el aerogenerador afectarán tanto el tamaño y la profundidad de la zapata como el desempeño de la fundación.

En sitios con suelos muy rígidos y cohesivos, suelos granulares densos, o en roca meteorizada, la primera opción es considerar una fundación de tipo zapata superficial, ya que normalmente es la más rápida de construir y, por lo tanto, la más económica. La mayoría de los aerogeneradores que se ubican en el continente tienen estas fundaciones superficiales, que se basan en el peso de una gran base de hormigón puesta en el piso y cubierta con suelo, similar a una copa de vino con su base enterrada.

Sobre suelos blandos, las fundaciones superficiales corren el riesgo de volcarse, deslizarse, hundirse o inclinarse. En estos casos, las fundaciones profundas (por ejemplo, los pilotes o pilotes excavados) pueden ser más apropiadas para soportar el peso de los aerogeneradores, ya que transfieren el peso a las capas más profundas y resistentes. Sin embargo, las fundaciones profundas implican un costo considerablemente mayor y un tiempo de construcción más largo. Existen opciones para hacer factible la opción de las fundaciones superficiales, como por ejemplo los métodos para mejorar el suelo o reemplazar el subsuelo.

Si la fundación se posa sobre roca resistente, consistente en profundidad, una opción muy utilizada es la de anclar la fundación a la roca, la que no se voltea ni se despega, pues cuenta con anclajes sometidos a tensión que se extienden en profundidad. Adoptar esta opción puede requerir estudios adicionales, ya que la carga a la que se someten los elementos de esta fundación puede ser hasta 10 veces mayor que en una zapata equivalente sostenida por el peso.

Los pilotes y los anclajes a la roca son tipos de fundaciones interesantes en cuanto al diseño y la ingeniería, pero, en realidad, y particularmente en Australia, las zapatas superficiales sostenidas por el peso suelen ser las más apropiadas desde la perspectiva del costo y la planificación de la construcción.

3. Colaborar para lograr el éxito

Como en casi todo, las mayores probabilidades de éxito vienen de una buena comunicación y colaboración. Es ideal que los ingenieros civiles y geotécnicos trabajen juntos dentro de un proceso iterativo y flexible que no solo tome en cuenta las condiciones conocidas, sino que también considere las restricciones del proyecto, tanto desde el punto de vista del diseño como en términos de costos y de factibilidad de la construcción. (Por ejemplo, puede haber restricciones específicas para el proyecto como los tiempos de compra del acero y la disponibilidad de roca de calidad para el hormigón, los que pueden afectar la planificación y los costos).

Cuando los ingenieros geotécnicos y civiles colaboran a lo largo del proceso de diseño, hay una mayor probabilidad de que se comuniquen los riesgos, lo que reduce la necesidad de «sobrediseñar» para ser conservadores, lo que resulta costoso. También es probable que el proceso de diseño sea más eficiente, con menos riesgo de tener que rehacer parte del trabajo.

Un diseño eficiente y optimizado puede pasar a ser rápidamente inapropiado si no se respetan buenas prácticas de construcción. La limpieza de la excavación para la zapata (es decir, remover los detritos) es crítica para el buen desempeño de los aerogeneradores en el largo plazo. Es esencial que, durante la construcción, el diseñador geotécnico observe la superficie en la que se asentará la zapata, para confirmar que las condiciones sean las mismas que se previeron durante la investigación geotécnica, y que haga los cambios necesarios en caso de que no sea así.

Con un entendimiento profundo de las condiciones del terreno, un diseño de las fundaciones apropiado para el sitio, y un proceso colaborativo entre los distintos participantes del equipo del proyecto, es probable que un nuevo parque eólico tenga cimientos sólidos para ser rentable, robusto y seguro en el largo plazo.

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