Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Physics: Conference Series, referente a la comunicación que presentamos en la WindEurope Annual Event 2024 en Bilbao. El estudio se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
El documento evalúa la sostenibilidad de los cimientos de los aerogeneradores utilizando un enfoque holístico, comparando diferentes alternativas concretas en función de los impactos del ciclo de vida y empleando un modelo de toma de decisiones multicriterio. Cuantifica la sostenibilidad y clasifica el hormigón con escorias de alto horno como el más sostenible, seguido del hormigón convencional y las cenizas volantes, y proporciona una metodología para la optimización del diseño con una perspectiva sostenible.
Las conclusiones más importantes de este trabajo son las siguientes:
El estudio concluye que la alternativa del hormigón con escorias molidas de alto horno (GBFS) demuestra índices de sostenibilidad más altos en comparación con el hormigón convencional (CONV) y el hormigón con cenizas volantes (FA) para cimentaciones de aerogeneradores.
El GBFS supera al CONV y al FA en términos de impacto ambiental, mientras que el CONV es más económico que el GBFS y el FA, y el GBFS muestra impactos sociales más destacados según los indicadores de los trabajadores.
El documento hace hincapié en la importancia de tener en cuenta simultáneamente las dimensiones económica, ambiental y social al optimizar el diseño, y destaca la necesidad de adoptar un enfoque holístico de la sostenibilidad en el diseño de las cimentaciones de las turbinas eólicas.
Abstract
Recently, wind power has emerged as a prominent contributor to electricity production. Minimizing the costs and maximizing the sustainability of wind energy is required to improve its competitiveness against other non-renewable energy sources. This communication offers a practical approach to assess the sustainability of wind turbine generator foundations from a 3-dimensional holistic point of view. Specifically, the main goal of this study is to analyse the life cycle impacts of one shallow foundation design by comparing three different concrete alternatives: conventional concrete, concrete with 66-80% of blast furnace slags and concrete with 20% fly ash, and then to apply a Multi-Criteria Decision-Making model based on TOPSIS method to evaluate and compare the resulting sustainability of each alternative considered. The study results in a methodology for quantifying sustainability rather than simply qualifying it. Therefore, with a sustainable perspective, this methodology can be employed for design optimization, such as geometry and materials. Specifically, in this study, concrete with blast furnace slags emerges as the top-ranked sustainable alternative, followed by conventional concrete in second place and the fly ash option in third position.
Es un placer compartir la noticia de que uno de mis proyectos ha sido seleccionado para su inclusión en la sección TECNOLOGÍA de nuestro Anuario InfoRUVID 2023, donde se presentan algunas de las noticias de investigación más relevantes que tuvieron lugar durante el año 2023 y que ya fueron recogidas en alguna de las ediciones mensuales del boletín digital InfoRUVID.
Tanto el boletín como el anuario son editados por la Red de Universidades Valencianas para el fomento de la I+D+i (RUVID) para visibilizar y poner en valor el trabajo investigador que se desarrolla en las universidades y el CSIC de la Comunitat Valenciana y del cual nos sentimos muy orgullosos.
Accede a la versión web del Anuario InfoRUVID 2023 en https://bit.ly/AnuarioInfoRUVID2023, donde podrás consultarlo online o descargarlo en pdf, tanto la versión completa como cada una de sus secciones por separado.
Asimismo, te invitamos a que lo compartas con todas aquellas personas a las que consideres que les podría interesar. ¡Difundamos entre todos el talento de nuestras universidades!
Es de agradecer al área de comunicación de la Universitat Politècnica de València, y en especial, a Luis Zurano, su labor en la difusión del trabajo de investigación realizado en nuestra universidad.
En este caso, se ha hecho eco de uno de nuestros trabajos relacionados con la optimización de la cimentación de aerogeneradores mediante metamodelos tipo kriging. Os paso la noticia, tal y como ha salido en la web de nuestra universidad, así como en otros medios de prensa.
También ha aparecido en otros medios de comunicación, como los que siguen:
También tenéis un corte de la noticia emitida por Radio Nacional de España:
Y en este otro corte, podéis ver la noticia en la SER:
Diseño revolucionario
Un estudio de la Universitat Politècnica de València revoluciona el diseño de los aerogeneradores
Un estudio realizado por investigadores de la Universitat Politècnica de València (UPV), pertenecientes al Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH), en colaboración con la Universidad Tecnológica Chalmers de Goteborg (Suecia), promete revolucionar el diseño estructural de los aerogeneradores. Su trabajo ofrece soluciones entre un 8 y un 15 % más sostenibles que los diseños tradicionales de estas infraestructuras,
Este estudio presenta un método innovador y eficiente para optimizar el diseño de cimentaciones de aerogeneradores, mejorando así la eficiencia energética en su construcción. Los resultados obtenidos en el estudio, publicados en la revista Structural and Multidisciplinary Optimization, demuestran su aplicabilidad en proyectos grandes y complejos y su potencial para ser utilizado en otras estructuras civiles.
“Nuestro método permite diseñar estructuras de manera más sostenible y facilitar su construcción, a través de un software que puede analizar diferentes condiciones y optimizar así el producto final. Utiliza metamodelos, como Kriging, para mejorar la eficiencia y reducir el costo computacional del proceso de optimización del diseño”, explica Víctor Yepes, investigador del Instituto ICITECH de la Universitat Politècnica de València.
En su estudio, el equipo de la Universitat Politècnica de València y la Universidad Tecnológica Chalmers aplicaron el método a un ejemplo real de cimientos para turbinas eólicas en Suecia. “Comprobamos que con nuestra propuesta se pueden obtener mejores diseños, analizando solo veinte en lugar de mil diseños diferentes. Además, constatamos que estos diseños son más sostenibles que los diseños convencionales”, destaca Víctor Yepes, investigador del Instituto ICITECH de la Universitat Politècnica de València.
Entre las ventajas de este “revolucionario método” destaca también una significativa reducción de los costes – tanto económicos como computacionales— y tiempos a la hora de diseñar las cimentaciones de los aerogeneradores.
Otras aplicaciones
Aunque este estudio se centra en el diseño de cimientos para turbinas eólicas, el método propuesto por los investigadores españoles y suecos puede ser aplicado a otras estructuras empleadas en la ingeniería civil o en la edificación. Además, la técnica de metamodelado de Kriging es ampliamente utilizada en la industria y puede ser aplicada a una amplia variedad de proyectos de diseño estructural.
“Nuestro trabajo puede ser de gran utilidad para la optimización de otras estructuras de ingeniería civil como puentes o edificios. Además, el método propuesto podría ser aplicado en otros campos como la optimización de procesos de fabricación o el desarrollo de nuevos materiales. En definitiva, se trata de una novedosa técnica con un gran potencial para afrontar y resolver una amplia variedad de problemas de diseño de ingeniería”, concluye Víctor Yepes.
El desarrollo de este método se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE, financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).
Referencia
MATHERN, A.; PENADÉS-PLÀ, V.; ARMESTO BARROS, J.; YEPES, V. (2022). Practical metamodel-assisted multi-objective design optimization for improved sustainability and buildability of wind turbine foundations. Structural and Multidisciplinary Optimization, 65:46. DOI:10.1007/s00158-021-03154-0
En este trabajo se estudia el potencial del metamodelado de kriging para optimizar el diseño estructural con múltiples objetivos mediante el uso de software de análisis de elementos finitos y normas de diseño. Se propone un método que incluye la sostenibilidad y la constructibilidad, y se aplica a un caso de cimentaciones de hormigón armado para aerogeneradores de un gran proyecto de parque eólico sueco. Se realizan análisis de sensibilidad para investigar la influencia del factor de penalización aplicado a las soluciones no viables y el tamaño de la muestra inicial generada por el muestreo de hipercubos latinos. A continuación, se realiza una optimización multiobjetivo para obtener soluciones óptimas para diferentes combinaciones de pesos para los cuatro objetivos considerados. Los resultados indican que los diseños obtenidos mediante kriging a partir de muestras de 20 superan a los mejores diseños de las muestras de 1000. Las soluciones óptimas obtenidas por el método propuesto tienen un impacto de sostenibilidad entre un 8 y un 15% menor que los desarrollados por métodos tradicionales.
El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
In this work, we study the potential of using kriging metamodelling to perform multi-objective structural design optimization using finite element analysis software and design standards while keeping the computational efforts low. A method is proposed, which includes sustainability and buildability objectives, and it is applied to a case study of reinforced concrete foundations for wind turbines based on data from a large Swedish wind farm project. Sensitivity analyses are conducted to investigate the influence of the penalty factor applied to unfeasible solutions and the size of the initial sample generated by Latin hypercube sampling. Multi-objective optimization is then performed to obtain the optimum designs for different weight combinations for the four objectives considered. Results show that the kriging-obtained designs from samples of 20 designs outperform the best designs in the samples of 1000 designs. The optimum designs obtained by the proposed method have a sustainability impact 8–15% lower than the designs developed by traditional methods.
A continuación os dejo una ponencia presentada por el catedrático de la UPC Antonio Marí dentro de la Jornada de Recerca i Innovació celebrada en Barcelona el 15 y 16 de noviembre de 2011. Los autores de la ponencia son, además, Jesús M. Bairán, Eva Oller y Noemí Duarte.
Se trata de una ponencia sobre investigación e innovación en puentes y torres prefabricadas de hormigón pretensado. Espero que os guste.
Aerogenerador de Unión Fenosa en la provincia de León (España). Wikipedia
La demanda de energía renovable a nivel mundial se incrementa con la conciencia medioambiental. La energía eólica es una energía renovable que se está implantando fuertemente a nivel mundial. Se estima que la energía contenida en los vientos es aproximadamente el 2% del total de la energía solar que alcanza la tierra, lo que supone casi dos billones de toneladas equivalentes de petróleo al año (200 veces mayor de la que consumen todos los países del planeta), aunque en la práctica solamente podría ser utilizada una parte muy pequeña de esa cifra, por su aleatoriedad y dispersión, del orden del 5%. Según “The World Wind Energy Association”, la capacidad mundial eólica instalada alcanzó un nivel sin precedentes de más de 318 GW a finales de 2013, de los cuales aproximadamente 35 GW se añadieron en 2013, el nivel más alto registrado hasta la fecha. La energía eólica contribuye en cerca de un 4% en satisfacer la demanda de energía eléctrica mundial. Un total de 103 países están utilizando este tipo de energía desde el punto de vista comercial y se espera que la capacidad de generación de energía eólica pueda aumentar hasta 700 GW en el horizonte del año 2020. En España, la contribución de la eólica a la demanda eléctrica en el año 2010 representó el 16% del total y su objetivo es aumentar ese porcentaje en un futuro. Una sola turbina puede abastecer de electricidad a 500 hogares. Recientemente Huang y McElroy (2015) han realizado una revisión de las perspectivas de este tipo de energía en relación al cambio climático.
El aerogenerador se compone de tres partes: torre, rotor y álabes. En el generador eléctrico es donde se transforma el movimiento mecánico del rotor en energía eléctrica. Suele ser un generador asíncrono o de inducción, con una potencia máxima entre 500 y 1500 kW. Están diseñados generalmente para rendir al máximo a velocidades alrededor de 15 m/s. En el caso de vientos más fuertes es necesario gastar parte del exceso de la energía del viento para evitar daños en el aerogenerador. En consecuencia todos los aerogeneradores están diseñados con algún tipo de control de potencia. Los componentes de un aerogenerador están diseñados para durar 20 años. Esto significa que tendrán que resistir más de 120.000 horas de funcionamiento, a menudo bajo condiciones climáticas adversas (Gálvez, 2005). Respecto a las torres eólicas, se distinguen las “onshore”, instaladas en tierra, normalmente en grandes llanos o zonas elevadas y las “offshore”, cuya localización es dentro del mar, en zonas próximas a la costa.
http://e-ducativa.catedu.es
Los aerogeneradores operan bajo regímenes de carga muy exigentes (Burton et al., 2001), cuyos efectos podrían disminuir la integridad estructural y llevar a costes de mantenimiento y reparación que podrían ser inaceptables. Rebelo et al (2014) abordan el estudio comparativo relativo la influencia del aumento de altura en el diseño estructural y los resultados de diferentes soluciones estructurales de un aerogenerador. Sus conclusiones son que el uso de secciones tubulares de acero y conexiones de brida son adecuadas para torres de hasta 80 m, mientras que las conexiones de fricción son mejores para torres más altas. En cuanto a las torres de hormigón, éstas dejan de ser competitivas por encima de 100 m de altura, especialmente por las dimensiones necesarias de la cimentación ante riesgo sísmico, que pueden incrementar el volumen de hormigón en cimientos hasta un 75%. Sin embargo, según refiere Lofty (2012), la prefabricación de la torre con hormigón es de gran interés a partir de los 75 m de altura. La fuerza vertical que actúa sobre la cimentación se debe fundamentalmente al peso propio de la torre, la góndola y las palas del rotor, incluso cierta fuera vertical provocada por el viento. Sin embargo, son preponderantes las fuerzas horizontales provocadas por el viento, generando un gran momento flector en la base debido a la gran altura de la torre. La torre suele ser prefabricada, en forma troncocónica, conectándose a la cimentación a través de una interfaz que suele ser un tubo de acero de grandes dimensiones insertado en el hormigón de la cimentación, aunque existen múltiples variantes en estos conectores.
http://www.inproin.com
Una de las partes fundamentales de un aerogenerador es la forma en que la torre se sujeta al terreno. La selección del tipo de cimiento dependerá fundamentalmente de la ubicación del aerogenerador y las condiciones del terreno. Según la European Wind Energy Association (2013), la cimentación supone aproximadamente el 6,5% del coste total para proyectos onshore y el 34% para proyectos offshore, lo que justifica una optimización de este tipo de estructuras (Horgan, 2013). Hoy en día, construimos la mayoría de las turbinas eólicas en tierra en suelos firmes y rígidos, pero probablemente las futuras torres eólicas se construirán sobre suelos con propiedades menos favorables. El cálculo de la cimentación depende de las cargas producidas por el rotor eólico en diferentes condiciones de operación, por esto la tecnología del aerogenerador juega un papel fundamental. La forma más habitual de cimentar un aerogenerador es una zapata de hormigón (Hassanzadeh, 2012). Tal y como indica Svensson (2010), las cimentaciones sobre losas de hormigón podrían dejar de ser adecuadas, pues grandes dimensiones provocan asientos diferenciales inaceptables. La altura de las torres puede variar mucho, entre 40 y 130 m. Cuanta más alta sea la torre, mayor velocidad de viento, y por tanto, mayor generación de energía.
Las torres de aerogeneradores se localizan en áreas con buenas condiciones de viento pero que, en numerosas ocasiones, se encuentran en terrenos inhóspitos o con malas condiciones de acceso, lo cual dificulta la ejecución de las cimentaciones de estas estructuras. Para anclar estas torres normalmente se utilizan los métodos: cimentaciones o zapatas que sujetan la estructura al terreno mediante gravedad, o bien mediante anclajes realizados sobre terrenos competentes. Se busca garantizar la estabilidad de la estructura y asegurar una transmisión de cargas al terreno con la adecuada intensidad para que este no colapse. En numerosas ocasiones los terrenos no permiten dicho anclaje, por lo que es habitual el uso de zapatas masivas realizadas con hormigón armado. No obstante, las geometrías empleadas en planta son muy diversas. Se utilizan soluciones con planta poligonal, circular e incluso cruciforme, siendo esta ultima un caso muy aislado. Herrando (2012) ha comprobado cómo para un aerogenerador tipo de 100 m de altura y 3,5MW de potencia, la cimentación superficial con geometría en planta circular es la que mejores resultados ofrece a nivel estructural y económico.
Cimentación prefabricada para torre eólica de la empresa Artepref. Fuente: Diario de Burgos
Las ventajas de la prefabricación son evidentes, reduciéndose incluso la cantidad de material necesario respecto a cimentaciones ejecutadas “in situ”. La prefabricación reduce los problemas de hormigonado in situ de grandes volúmenes, que no sólo generan problemas importantes cuando los accesos se encuentran alejados de las plantas de fabricación de hormigón e incrementan considerablemente el calor de hidratación en el fraguado del hormigón, sino que las temperaturas extremas pueden reducir el número de días de trabajo efectivo. Además, teniendo en cuenta que la vida útil de un aerogenerador puede ser de 20 a 25 años, la prefabricación facilita la fase de desmantelamiento de las instalaciones. Se han generado en el mercado cimentaciones alternativas donde una parte o la totalidad de la cimentación se realizan con piezas prefabricadas. Así, algunas patentes europeas y americanas, como por ejemplo, DK200100030 (2001) y WO2004101898A2 (2004), han desarrollado soluciones de cimentación prefabricadas para el caso de pequeñas instalaciones, no quedando claro que alguna de estas soluciones se hayan construido realmente (Nilsson, 2012). Empresas como Gestamp Hybrid Towers ofrecen diseños de cimentaciones prefabricadas para torres en forma de T invertida que pretende ofrecer eficiencia y ductilidad a la solución. La empresa burgalesa ARTEPREF patentó también una cimentación prefabricada para este tipo de torres. Además, estas soluciones suelen unir las piezas prefabricadas mediante hormigón fresco. Por tanto, el elemento clave en el diseño de este tipo de cimentaciones son la forma con la que se resuelven las juntas para convertir las piezas en un conjunto monolítico y también la conexión o “brida” de la torre con la cimentación (Hassanzadeh, 2012). Bellmer (2010) advierte de que gran parte de los problemas de durabilidad de los aerogeneradores se deben a un mal diseño de la cimentación. Currie et al (2013) presentan una solución para monitorizar las cimentaciones de estas torres. Eneland y Mallberg (2013) advierten de la gran dificultad que existe en diseñar un método de cálculo para las juntas de las piezas prefabricadas de este tipo de cimentaciones. Asimismo, una de las claves es la justificación de la viabilidad económica de los elementos frente a las cimentaciones ejecutadas “in situ”.
Referencias:
BURTON, T.; SHARPE, S.; JENKINS, N.; BOSSANYI, E. (2001). Wind Energy Handbook. Wiley, Chichester, UK, pp. 211–219.
BELLMER, H. (2010). Probleme im Bereich Stahlturm – Fundament, 3rd Technical Conference – Towers and Foundations for Wind Energy Converters, HAUS DER TECHNIK, Essen, Germany.
CURRIE, M.; SAAFI, M.; TACHTATZIS, C.; QUALI, F. (2013). Structural health monitoring for wind turbine foundations. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Paper 1200008.
DK200100030 (2001). Stjernefundament med elementer til foundering af tårne. Patent
ENELAND, E.; MALLBERG, L. (2013). Prefabricated foundation for wind power plants. A conceptual design study. Thesis in the Master’s Programme Structural Engineering and Building Technology, Chalmers University of Technology, Sweden.
GÁLVEZ, R. (2005). Diseño y cálculo preliminar de la torre de un aerogenerador. Proyecto Fin de Carrera, Universidad Carlos III de Madrid, Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras.
HASSANZADEH, M. (2012). Cracks in onshore wind power foundations. Causes and consequences. Stockholm: Elforsk (Elforsk Rapport, 11.56).
HERRANDO, V. (2012). Optimización del diseño de la cimentación para un aerogenerador de gran altura. Trabajo Fin de Carrera, Universitat Politècnica de Calalunya.
HORGAN, C. (2013). Using energy payback time to optimise onshore and offshore wind turbine foundations. Renewable Energy, 53:287-298.
HUANG, J.; McELROY, M.B. (2015). A 32-year perspective on the origin of wind energy in a warming climate. Renewable Energy, 77:482-492.
LOFTY, I. (2012). Prestressed concrete wind turbine supporting system. Master’s Dissertation, University of Nebraska, USA.
NILSON, M. (2012). Prefabricated foundations with cell reinforcement for land-based wind turbines. . Stockholm: Elforsk (Elforsk Rapport, 13:06).
REBELO, C.; MOURA, A.; GERVÁSIO, H.; VELJKOVIC, M.; SIMOES DA SILVA, L. (2014). Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations – Part 1: Structural design. Engineering Structures, 74:283-291.
SVENSSON, H. (2010). Design of foundations for wind turbines. Master’s Dissertation, Department of Construction Sciences, Lund University, Sweden.
