Plataforma semisumergible para aplicaciones en mar abierto.

Una plataforma semisumergible (26) que comprende: una columna interior (15) y al menos cuatro columnas exteriores (14),

donde cada una de dichas columnas interior y exteriores (14, 15) comprenden una base resistente (12) y un tronco (5a, 5b; 6a, 6b), y donde cada columna (14, 15) comprende una sección de mayor resistencia (7) a una determinada altura y una pluralidad de vigas (8) que unen cada columna exterior (14) con la columna interior (15) y cada columna exterior (14) con cada columna exterior adyacente. Un método de construcción de una plataforma semisumergible.

PLATAFORMA SEMISUMERGIBLE PARA APLICACIONES EN

MAR ABIERTO

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al sector de la construcción y tecnología naval relacionada con las estructuras marinas en mar abierto, también denominadas estructuras offshore y, más concretamente, al de las estructuras flotantes offshore del tipo semi sumergible que sirven para dar soporte fisico al desarrollo de actividades de carácter industrial, energético, investigador, etc.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El diseño de estructuras flotantes en aguas profundas (en adelante offshore) está ligado a la carrera tecnológica desarrollada en los últimos 60 años por la industria petrolera (Oil & Gas ó O&G) , y su esfuerzo por explotar de manera rentable yacimientos de petróleo y gas cada vez más lejanos de la costa y a mayor profundidad. A la hora de identificar cuáles son las distintas tecnologías, cabe mencionar las siguientes grandes familias:

1. Plataformas tipo SP AR

2. Plataformas tipo TLP (Tension Leg Platform)

3. Plataformas Semisumergibles o Semis

4. FPSO (Floating Production Storage & Offloading) , las cuales se caracterizan por tener forma de barco.

Estas estructuras se fijan al fondo mediante sistemas compuestos, principalmente, por líneas de fondeo formadas por catenarias de cadena de acero, estacha de fibra, etc. o por líneas de fondeo con sistemas tensos, también denominados TLP (Tension Leg Platform) , compuestos por elastómeros, tendones, cables de acero, etc.

En los últimos años se han unido a esta carrera tecnológica empresas con interés en aprovechar y explotar el recurso eólico marino offshore, como fuente de energía renovable (Offshore Wind) ; siendo en todos los casos, diseños que han heredado sus características y filosofia de los de la industria O&G añadiendo los requerimientos propios de la industria eólica terrestre.

Estos diseños son generalmente de menor tamaño, escalados en función de las necesidades (a menor capacidad de carga se requiere menor empuje) yen los que se repiten, en mayor o menor medida, las características de diseño y fabricación de las estructuras flotantes de la industria O&G.

1) Plataforma Semi sumergible

2) Plataforma tipo SP AR

3) Plataforma tipo TLP

4) Concepto SW A y (hibrido entre una SP AR y una TLP)

Las estructuras flotantes offshore que actualmente se están desarrollando para la industria eólica son, en general, caras y presentan ciertas características que las hacen poco operativas, flexibles y seguras. Disponen, en la mayoría de casos, de sistemas de fondeo o anclaje excesivamente caros al estar heredados de la industria del O&G, y sus condiciones de estabilidad son, en muchos casos, insuficientes para el estado de máxima carga operacional o eventos extremos. Para aplicaciones flotantes de eólica marina, el proceso de diseño y dimensionamiento de las estructuras flotantes que las soportan es muy distinto del de las plataformas dedicadas a la perforación, extracción y producción de crudo. Las plataformas destinadas a la eólica offshore están sometidas además de al peso propio ya las cargas inducidas por el oleaje, la corriente y el viento, a otras cargas de magnitud considerable que no presentan las plataformas del O&G: el empuje horizontal y el momento torsor originados por el aerogenerador y transmitidas a la estructura flotante a través de la torre que lo sustenta. Otro gran inconveniente que presentan los actuales conceptos para la industria eólica marina son unos métodos constructivos lentos y caros, no adaptados a las necesidades de esta

-

industria, además de un coste logístico en el remolque, instalación y fondeo demasiado alto.

Los otros tipos de estructuras, extensamente empleadas en la industria eólica marina, son las compuestas por estructuras fijas offshore. Éstas son estructuras directamente fijadas o pilotadas al fondo marino y se emplean en aguas cuya profundidad las hace económicamente atractivas. Actualmente se habla que las estructuras fijas offshore del tipo monopilotadas, es decir; las formadas por una torre directamente pilotada al fondo marino sobre la que se instala el aerogenerador, se emplean en aguas someras cuya profundidad máxima es de unos 20 metros. Entre los 25 y los 45 metros las estructuras fijas tipo Jacket, constituidas por tramos de celosías de acero unidas, son las que presentan las mejores características técnico-económicas. Es a partir de los 45-50 metros cuando las estructuras flotantes comienzan a presentar mejores características que las estructuras fijas anteriormente citadas. Estas profundidades son denominadas en la industria eólica offshore como aguas profundas.

De entre todos los conceptos y diseños que actualmente están en vías de desarrollo, dentro de los sistemas flotantes offshore para aguas profundas, cabe mencionar los siguientes:

HyWind, tipología SP AR. Un ejemplo de este tipo de sistema flotante offshore para aguas profundas se describe en la solicitud de patente internacional nO W0201O/122316Al. Esta estructura ha sido diseñada en acero y tiene el hándicap de que necesita una gran cantidad de lastre a mucha profundidad para poder asegurar las condiciones de estabilidad y seguridad mínimas. De no hacerlo, el centro de gravedad (KG) de todo el conjunto estaría demasiado alto dando lugar a alturas metacéntricas (GM) nulas o incluso negativas haciendo inestable a todo el conjunto. Esto origina que el calado mínimo necesario de la parte sumergida de esta estructura sea de 100m para instalar un aerogenerador de 2, 3 MW. Lo que hace inviable que pueda operar a profundidades de 50m.

En cuanto a los movimientos de respuesta, las SPAR se caracterizan por presentar movimientos verticales de alteada (heave) , más amortiguados que el resto de conceptos. Sin embargo presentan movimientos de cabeceo (pitch) y balance (roll) mayores. Son, por lo descrito en la publicación anterior, inviables técnicamente para operar en aguas con una profundidad de entorno a 45 metros y se estima que puedan empezar a ser competitivas técnicamente a partir de profundidades de entorno a los 120m. Otro inconveniente que presenta esta estructura, y en general las del tipo SP AR, es que la operación de remolque e instalación es excesivamente cara y compleja por el despliegue logístico que necesita. Dado su elevado calado no pueden salir de puerto ni en posición vertical ni en condición de lastre y esto impide que puedan llevar instalada la turbina eólica, haciendo imprescindible su instalación en alta mar una vez que la plataforma ya esté debidamente fondeada y lastrada o preparada para recibir el peso elevado del aerogenerador. Esto complica mucho técnicamente el proceso de instalación y puesta en marcha del sistema, pero sobre todo incrementa notablemente los costes asociados.

Bine H, tipología TLP. Un ejemplo de este tipo de sistema flotante offshore para aguas profundas se describe en la solicitud de patente estadounidense n° US2012/0014752Al. Esta estructura también se ha diseñado en acero y se caracteriza por ser una estructura flotante con un sistema de anclaje al fondo basado en sistemas tensos con cables de acero y/o elastómeros o tendones que conectan rígidamente la estructura al anclaje del fondo, compuesto principalmente por un peso muerto. Esta estructura, y en general las del tipo TLP, se caracterizan por tener movimientos de respuesta ante las cargas ambientales y las propias del aerogenerador muy amortiguadas debido a su especial sistema tenso de fondeo, que por sí mismo amortigua todos los movimientos de respuesta. No presentan el problema de estabilidad derivado de las variaciones de lastre y centros de gravedad que tienen las SP AR y a priori, aunque en condición de salida de puerto puedan tener cierta precariedad en su condición de estabilidad, podrían llevar instalada la turbina eólica desde puerto, 10 que hace menos cara y compleja la operativa de remolque, instalación y puesta en marcha. El principal problema que tienen este tipo de tipologías, y que las hace mucho menos competitivas, es su costoso y complejo sistema de fondeo; principal hándicap de las estructuras tipo TLP. La instalación del sistema de fondeo requiere del empleo de medios muy sofisticados y caros. Otros inconvenientes derivados principalmente del sistema de fondeo, es el más que posible acoplamiento de las frecuencias propias de los tendones empleados en unir la estructura al fondo y la frecuencia propia de la estructura 10 que deriva en fenómenos resonantes muy perjudiciales para la operación del sistema. Además, el mantenimiento del sistema de fondeo resulta muy costoso.

SWAY Floating Tower, tecnología híbrida entre SPAR y TLP. Esta estructura...

1. Una platafonna semi sumergible (26) de honnigón annado in situ de tal fonna que la platafonna es monolítica, que comprende:

una columna interior (15) yal menos cuatro columnas exteriores (14) , donde cada una de dichas columnas interior y exteriores (14, 15) comprenden una base resistente (12) y un tronco (5a, 5b; 6a, 6b) ,

estando la platafonna semi sumergible (26) caracterizada por que dichas columna interior (15) y al menos cuatro columnas exteriores (14) son de honnigón annado, y cada columna (14, 15) comprende una sección de mayor resistencia (7) a una determinada altura, comprendiendo además la platafonna semi sumergible una pluralidad de vigas (8) a dicha determinada altura que unen cada columna exterior (14) con la columna interior (15) y cada columna exterior (14) con cada columna exterior adyacente y una pluralidad de líneas de fondeo (11) configuradas para ser ancladas a la sección de mayor resistencia (7) de cada columna exterior (14) ,

y donde la platafonna semi sumergible (26) comprende además una placa inferior (9) de honnigón annado sobre la que se fijan dichas columna interior (15) yal menos cuatro columnas exteriores (14) , configurada para incrementar el amortiguamiento de los movimientos verticales y donde dicha placa inferior (9) está reforzada por una pluralidad de vigas (13) que conectan la base (12) de cada columna exterior (14) con la base de la columna interior (15) y la base (12) de cada columna exterior (14) con la base (12) de cada columna exterior adyacente.

2. La platafonna semi sumergible (26) de la reivindicación 1, donde dicha columna interior (15) lleva montados al menos una torre (3) , una nacelle (1) , un rotor (10) y una pluralidad de palas (2) .

3. La platafonna semi sumergible (26) de cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, que

comprende cuatro columnas exteriores (14) formando una planta cuadrada.

4. Un método de construcción de una plataforma semi sumergible, caracterizado por las etapas de:

- colocación de una base resistente (12) interior y al menos cuatro bases resistentes (12) exteriores sobre la base de un dique flotante; -instalación de un encofrado trepante configurado para construir una columna interior

(15) yal menos cuatro columnas exteriores (14) sobre sendas bases resistentes (12) ; -avance de la trepa hasta alcanzar un determinado nivel, de forma que queden construidos un tronco (5b, 6b) sobre cada base resistente (12) , simultáneamente con 10 cual se va sumergiendo el dique flotante; -instalación de encofrados que tapan las bocas de dichos troncos (5b, 6b) ; -colocación de una pluralidad de vigas de arriostramiento (8) que unen cada tronco exterior (6b) con el tronco interior (5b) Y cada tronco exterior (6b) con cada tronco exterior adyacente; -instalación de encofrados verticales para construir zonas de mayor resistencia (7) ; -colocación de armaduras de dichas zonas de mayor resistencia (7) , hormigonado de las mismas y desmontaje de los encofrados; -tras la construcción de las secciones de mayor resistencia (7) sobre cada tronco (5b, 6b) : instalar encofrados trepantes sobre las mismas, trepar hasta un cierto nivel hasta construir los troncos (5a, 6a) por encima de las secciones de mayor resistencia (7) , simultáneamente con 10 cual se va sumergiendo el dique flotante, y desmontaje de los encofrados trepantes; -remate de la parte superior de cada tronco (Sa, 6a) ; -hundimiento del dique flotante hasta dejar a flote la plataforma; -traslado de la plataforma hasta el muelle de armamento; -postensado vertical de los troncos (Sa, Sb; 6a, 6b) .

5. El método de la reivindicación 4, que comprende además, antes de la colocación de las bases resistentes (12) :

- colocación de una pluralidad de vigas (13) de refuerzo sobre la base del dique flotante; -colocación de una armadura de una base resistente (9) sobre la base del dique flotante; -encofrado de dicha base (9) ; -hormigonado de dicha base (9) ;

-desmontaje de los encofrados de la base (9) .

6. El método de cualquiera de las reivindicaciones 4 ó 5, que comprende, tras el postensado vertical de los troncos (5a, 5b; 6a, 6b) , la instalación en el muelle de armamento de al menos un equipo sobre la plataforma.

7. El método de la reivindicación 6, donde dicho al menos un equipo es una torre, una góndola, un rotor de aerogenerador o un equipo auxiliar.

J

I

FIGURA 1

DD

~) /

I

, :

(JI)

5b

FIGURA 2

FIGURA 3

i ~I

FIGURA 4

FIGURAS

FIGURA 6

FIGURA 7

",

"""" ?J

", /

" 1

", , -~. ----i

'-<) ,

~I Y2'

_J__ '

(6, 7, 12}-_....

FIGURA 8

Comparacion de RAO a Heave Plataforma Semisumergible Cuadrada de Hormigon 22 21 20 19 18 17 16 15

, .

_13

<" 12

~10

:l

FIGURA 9

Response amplitude operator -Surge -00

2.0~-----, ------, , ------, ---~~============~

-Test 1: H=2m -Platform

_______ -l-_______ -1 ________1 _____ _

1.8

1 -Test 2: H=6m -Platform

, -

1.6

- ----I ---j ---1-----~ -

E1A

I

........

J _

1.

J: 1.2

"'-1

-, -

E1.0

........

I

----------- 1

g¡, 0.8

...

Jl 0.6

----r

- ---r -~-_==-_....

, -1

____ -l __ _ ___ L _

-

0.2

O.O+--------r------~--------r-------;_------_r------~

5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0

T (s)

FIGURA 10

Response amplitude operator -Heave -00

2.0 , ----, ---~---, --r============¡_]

I I

0.2 I_-~-~-~-:-::-:-~-=-==-=-=-=-::-:-~'-:-~-=-=-~-~-~--------------~'----------------~'--------------_J

0.0 +

5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0

T (s)

5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0

T (s)

FIGURA 12

Response amplitude operator -Surge acceleration Nacelle-00

0.20 F=====:::::::::r:=:===::;==::=:::;---, ----~------, ---_¡

--Test 1 H=2m -Platform '

0.18 --Test 2 H=6m -Platform -----r -------o ---------------Test 1 H=2m -Nacelle 0.16

g0.14 ~ 0.12

NU)

E 0.10

~ 0.08 ~ 0.06

0.04

0.02 0.00+-----+-------+------+------+------+-------4

5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0

T (s)

2.0

1.8

1.6

~lA

E I1.2 ....... 0'1.0

'E'

.l:: 0.8

o::

0.6

0.2

0.0

Response amplitude operator -Pitch

-Test 1: H=2m -Platform

- ---r---i-------r-----Test 2: H=6m-Platform

- --t-----r---r------1--

p E+ -+=

--=t=--t4--J-=t

- ------t-------+--~--

-------_____ t----I---I---

1. _

FIGURA 11

FIGURA 13

Response amplitude operator -Heave acceleration Nacelle -00

0.20 T;========:;---, ------, ----, -------¡

- Test 1: H=2m -Platform

0.18 -Test 2: H=6m -Platform- - - - - ~ - - - - - ~ - - - - - -, - - - - -

0.16 -Test 1: H=2m-Nacelle ______ L ______ ~ _______I ______ _

.s 0.14 -Test 2: H=6m -Nacelle 1 -_1 ___ _

J: ;:::; 0.12 - - - - 11

"1nE 0.10 1 ~---- ----1-

W0.08 - - - -1

ro ~ 0.06

0.04

0.02

0.00 -f--.''----t------+---'---+-----+----+------j

5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0

T (s)

FIGURA 14

Response amplitude operator -Pitch acceleration Nacelle -00

0.20 -Test 1: H=2m -Platform

0.18

-Test 2: H=6m -Platform ------~ -------+ -------:------

--Test 1: H=2m -Nacelle ______ L ------~ -------, ------

0.16

1 1

-Test 2: H=6m -Nacelle

1

0.14

S 1

- --1--1--------1--

:r: 0.12

;:::;

- 4 ----1----+

"1n 0.10

......

o :c: 0.08

B

¡¡:

0.06

0.04

0.02

0.00

5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0

T (s)

FIGURA 15

FIGURA 16