Cimentaciones Offshore aplicadas a infraestructura de energía renovable (res)



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Cimentaciones Offshore aplicadas a infraestructura de energía renovable (RES)

Offshore foundations applied to renewable energy infrastructure



Luisa N. EQUIHUA ANGUIANO1, Marcos OROZCO CALDERÓN2 Carlos SÁNCHEZ SOTO3 y J. Alberto HERRERA HERNÁNDEZ3.

1Profesor Ingeniería Civil, Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla, UPAEP

2Ingeniero Especialista, Pemex, Cd. del Carmen Campeche

3Estudiante Ingeniería Civil, Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla, UPAEP

RESUMEN: Actualmente se requieren fuentes de energía que eviten la total dependencia del petróleo, por lo que a nivel mundial se está optando por la adaptación y el uso de energías renovables (RES). En este artículo se presenta un panorama general de los RES usados en la práctica, así como del estado actual en México de la producción usando estas tecnologías. Se presenta la comparación de envolventes de ruptura obtenidas con ABAQUS3D® y Plaxis3D® de un ancla a succión, como una alternativa para cimentar los sistemas eólicos desplantados en suelos marinos. Los métodos de diseño y predicción del comportamiento de estructuras offshore han experimentado grandes avances en los últimos años, sin embargo aún existen incertidumbres relacionadas con la interacción suelo-ancla debido a las características especiales que presentan los suelos marinos, por lo que es necesario continuar con su estudio.

ABSTRACT: Nowadays, new sources of energy are necessaries to avoid totally dependency of the oil. Worldwide is betting for usinge and research of renewable energy systems (RES). This paper presents an overview of the various renewable energy sources, as well as, the current production status using these technologies in Mexico. A comparison of the typical yield failure envelope obtained with ABAQUS3D® y Plaxis3D® is also presented. These envelopes are used for the design of suction anchors which are an alternative to fix wind systems in marine soils. In recent years, design methods have experienced great progress, nevertheless there are still uncertainties related to the interaction soil-anchor, so it is necessary to continue their study. Soil parameters used in this study corresponding to characteristic of marine soils.

1 INTRODUCCIÓN


La dependencia actual del petróleo, implica altos costos económicos y ambientales a nivel mundial, debidos a su creciente consumo y a la disminución de reservas. Desde la perspectiva de la Ingeniería Civil, una de las principales desventajas para la explotación petrolera son los tirantes de agua que cada día son mayores, lo que se refleja en estructuras más costosas y difíciles de llevar a cabo, además de que para potenciar la viabilidad y rentabilidad petrolera empresarial, se deben de producir cantidades considerables de hidrocarburos.

Las energías renovables, representan nuestro reto a futuro para conseguir fuentes de energía económica, no contaminante y de fácil acceso para el mundo. Los resultados de los estudios dedicados al tema, concuerdan con que estas energías además de ser amigables con el medio ambiente, son económicamente viables y nos proveen de alternativas para el futuro desarrollo de infraestructura.

Uno de los retos de la ingeniería, es el desarrollo de infraestructura en el mar, debido al potencial marino denominado undimotriz, olamotriz o incluso eólico. Entre todas las disciplinas requeridas, la geotecnia está íntimamente ligada al desarrollo de éstas, debido a que representa una parte fundamental enfocada al desplante de los sistemas requeridos para estas energías. Este artículo presenta un panorama de las RES, así como un estudio numérico en elementos finitos, abocado al desarrollo y comparación de envolventes de ruptura obtenidas para un ancla a succión, por ser estos sistemas una buena opción de desplante de estructuras eólicas, entre otras.

2 energía renovable

2.1 Principios de energía renovable


Se define como energías renovables, a aquellas fuentes prácticamente inagotables, con respecto al tiempo de vida de un ser humano en el planeta y cuyo aprovechamiento es técnicamente viable. La energía solar, eólica (viento), minihidráulica (ríos y pequeñas caídas de agua), biomasa (materia orgánica), geotérmica (calor de las capas internas de la tierra) y oceánica son los principales tipos de energía renovable. Países como Bélgica; España y Holanda, han estado invirtiendo una gran cantidad de recursos para generar diferentes tipos de esta energía renovable y son considerados los pioneros en su desarrollo.

La clasificación general y que es la que nos interesa, puede dividirse en dos (Cervantes-Barranco, 2014): energía mareomotriz y energía eólica. La primera se manifiesta por medio de olas, mareas, corrientes y gradientes térmicos, siendo los mecanismos muy diversos, dependiendo de la energía solicitada (ver Figura 1).



Figura 1. Ejemplo de un generador de energía mareomotriz (Cervantes-Barranco, 2014).

Por su parte la energía eólica se encuentra en rápida expansión, instalándose en “parques eólicos”, que deben cumplir varias condiciones como son las mediciones de la dirección del viento y el constante potencial de éste, entre otras. Los parques eólicos offshore son una de las mejores opciones para la producción de esta energía (Ejemplo Figura 2).

Figura 2. Campo eólico en el mar Middelgrunden, Oresund, 2009.


2.2 Estructuras de energía renovable


En la práctica y refiriéndonos a la producción de energía por viento, se usan en su mayoría aerogeneradores de eje horizontal llamados “tripalas”. La Figura 3 presenta los principales componentes de un sistema eólico. Es conveniente aclarar que existen varios sistemas, comentándose además que el rendimiento de los aerogeneradores depende de la velocidad del viento, de las condiciones del terreno, así como del modelo del aerogenerador. La capacidad de convertir la energía cinética del viento en energía rotacional, se ve disminuida por elementos que conllevan pérdidas en la trasformación de eólica a eléctrica (Moreno, 2005).

Figura 3. Partes de un aerogenerador (Cervantes-Barranco, 2014).

La máxima potencia eólica aprovechada la define el límite de Betz, pudiéndose observar en la siguiente figura, que es la “tripala” el sistema que mejor aprovecha el viento debido a que se encuentra en el eje de las ordenas con un coeficiente de potencia Cp= 0,5.

Figura 4. Aprovechamiento de energía de diversos tipos de aerogeneradores (Cervantes-Barranco, 2014).


2.3 Producción en México


México cuenta con una capacidad eléctrica instalada de 18,716 MW basada en energía renovable, cubriendo un 22.3% de la capacidad total de generación eléctrica en el país (Cervantes-Barranco, 2014). Por su parte el potencial eólico se estima en 71,000 MW, lo que equivale a cubrir 3 veces la demanda eléctrica del sector residencial del año 2010, sin contar con el potencial hidroeléctrico y geotérmico (Economía, S.D., 2012).

En febrero de 2012, México registró 204 centrales en operación y en construcción, para la generación de energía eléctrica de fuentes renovables. Oaxaca y Veracruz son los estados con mayor número de proyectos eólicos y bioenergéticos. La Figura 5 presenta un esquema de la República Mexicana contemplando el potencial RES de cada estado, considerándose un incremento para el año 2025 de 26,716 MW con respecto a la capacidad actual para generación eléctrica, con una mayor generación de energía eólica e hidráulica (Economía, S.D., 2012).



Figura 5. Esquema de las posibilidades de desarrollo RES en la República Mexicana (Cervantes-Barranco, 2014).

La Figura 6 presenta el potencial eólico de la República Mexicana, separada en zonas A, B, C, D y E.

Figura 6. Potencial eólico de México (Aleman-Nava et al., 2014).


3 modelaciónes NUMÉRICAS


Los análisis numéricos comparados, corresponden a los esfuerzos y deformaciones generados en el suelo alrededor del ancla a succión. En este caso no se estudiaron los esfuerzos directamente en las paredes del ancla.

Las fuerzas corresponden al arrancamiento del ancla, cabe mencionar que es necesario realizar un estudio considerando fuerzas de compresión, momentos y de las corrientes marinas.


3.1 Plaxis 3D


Se obtuvieron envolventes de ruptura “Yield Failure Envelop, YFE”, usando el programa Plaxis 3D®. El ancla fue simulada para obtener su capacidad máxima F vertical y horizontal y posteriormente se probaron diversos ángulos de inclinación  de la carga (ver Figura 7).

Se presentan los resultados correspondientes a dos mallas FEM, las que se calibraron a través de simulaciones con una carga vertical en condiciones axisimétricas, para validación de los modelos.


3.1.1 Parámetros de suelo y del ancla


El modelo constitutivo del suelo aplicado en el estudio fue el de Mohr-Coulomb.

La Figura 7 presenta los estratos del suelo y la geometría del ancla. La Tabla 1 presenta los parámetros del suelo, considerando que los perfiles de la resistencia al corte no drenada cu y del módulo de elasticidad del suelo Es= 215xcu, varían linealmente con la profundidad.

La Tabla 2 presenta los parámetros considerados para el material del ancla a succión en donde: w corresponde al peso del acero, l es el espesor de las paredes, Ea el módulo elástico del acero y es la relación de Poisson. Los rigidizadores internos no se modelaron para ambos casos numéricos.
Tabla 1. Parámetros de suelo usados en Plaxis 3D®.

_____________________________________________________



z ´ cu(prom) Es

(m) (kN/m3) (kPa) (kPa)

_____________________________________________________

0,0 3,1 2,5 529

3,0 4,0 4,1 882

8,7 3,8 12,7 2737

8.7 3.8 14.4 3096

_____________________________________________________


Tabla 2. Parámetros del ancla a succión en Plaxis 3D®.

_____________________________________________________



D L d Ea  l w

(m) (m) (m) (kPa) (cm) (kN/m3)

_____________________________________________________

4,1 21 14 2,15E11 0.3 2,5 72

_____________________________________________________

Figura 7. Nomenclatura y geometría en metros del ancla, usadas en las simulaciones numéricas de Plaxis y Abaqus 3D.

Los parámetros del suelo son los mismos que se reprodujeron en Abaqus 3D®.

3.1.2 Malla FEM


La Figura 8, presenta el ejemplo de una de las mallas, así como el contorno de esfuerzos para la carga vertical F.

La geometría tridimensional es de 40x40x40 m para evitar los efectos de frontera, con una malla más densa al centro.



group 13

Figura 8. Malla FEM Plaxis 3D®, carga vertical F en el centro del anclaje, 4860 elementos y geometría de 40 x 40 x 40 m.


3.2 Abaqus


Para Abaqus, el ancla se simuló como un elemento de rigidez infinita y sin un espesor en las paredes. La figura 9 presenta la malla FEM, así como un corte de las deformaciones del ancla.


Figura 9. Ejemplo de ancla a succión modelada en Abaqus.

Las fuerzas en Abaqus se descompusieron en una componente vertical y una horizontal, para hacer la equivalencia con la fuerza de Plaxis, debido a que en este último, el ángulo de inclinación puede introducirse directamente. El modelo de falla del suelo es elasto-plástico perfecto.

4 RESULTADOS


La Figura 10 presenta la comparación de las curvas esfuerzo-deformación utilizando los dos programas de FEM. Se tomó un criterio de falla de 0.1D, como se puede observar con la línea vertical atravesando la abscisa 0.41. Este criterio puede no ser del todo conservador, sin embargo se eligió a partir de la curva más baja que corresponde a la obtenida con Abaqus 3D®.

Las curvas de Plaxis 3D®, corresponden a los dos modelos realizados, obteniéndose una curva intermedia con el modelo FEM más denso.



Figura 10. Curvas Fuerza-Desplazamiento, obtenidas para los resultados mostrados en los YFE, para el caso de una fuerza vertical F y =0°.

Las envolventes de ruptura se presentan en la Figura 11. Como es de esperarse al revisar la Figura 10, la malla obtenida en Abaqus 3D® es mucho más conservadora que las obtenidas usando Plaxis 3D®.

La malla más densa en Plaxis 3D®, corresponde a la línea con círculos. Podemos observar que para el caso de la fuerza horizontal máxima, las dos envolventes arrojan el mismo resultado, lo que puede explicarse a partir de la forma en que Plaxis 3D®, densifica la malla en el sentido vertical.


Figura 11. Comparaciones de las envolventes de ruptura obtenidas con Plaxis 3D® y Abaqus 3D®.

Además, se aprecia una diferencia de 1000 kN entre los dos modelos Plaxis 3D y de 500 kN respecto a la fuerza vertical máxima entre Abaqus 3D® y la respuesta más baja obtenida en Plaxis 3D®.

Los resultados de Plaxis 3D® mostrados en este artículo, corresponden a la versión 1, por lo que es necesario reproducir las simulaciones en la versión actual, debido a que ha tenido mejoras considerables en cuanto al tiempo de cálculo, mallage, etc.


CONCLUSIONES


A nivel mundial, el tema de la seguridad energética y del cambio climático ha causado un gran cambio en todas las naciones. Este cambio conlleva hacia una transición en la que se apuesta por el uso de energías alternativas, donde México representa un gran potencial para el desarrollo de las RES.

El gran beneficio medioambiental que reporta el aprovechamiento del viento y las corrientes marinas, aunadas a las necesidades de la producción y la exploración de los campos de energía a nivel mundial, requieren desafíos más complejos cada día.

En la práctica, el diseño de cimentaciones marinas, sigue los principios clásicos de cálculo cimentaciones superficiales y profundas y por lo tanto, la mecánica clásica de suelo, sin embargo existen aún incertidumbres con respecto al comportamiento real de las estructuras costa afuera.

Los resultados de las envolventes de ruptura que suelen usarse para el diseño en la práctica, presentan una variación importante en cuanto a los resultados obtenidos entre Abaqus 3D® y Plaxis 3D®.

Las mallas FEM son un parámetro importante para los resultados obtenidos.

Es importante aclarar que la versión usada en este estudio de Plaxis 3D, corresponde a la versión 1 (Plaxis 3D®, 2004), por lo que fue posible utilizar valores de interface menores a 1.0. Las versiones posteriores 3D, presentan algunos inconvenientes para el uso de interfaces, pero un gran avance en cuanto al tiempo de cálculo.

Los resultados corresponden a la simulación de una fuerza de arrancamiento en el sentido vertical y considerándose una variación en la inclinación de dicha fuerza.

Es necesario realizar otro estudio, correspondiente a la aplicación de las corrientes marinas, así como de un momento de volteo y una fuerza vertical de compresión trasmitida al suelo.


REFERENCIAS


Alemán-Nava, G.S., Casiano-Flores, V.H., Cárdenas-Chávez, D., Díaz-Chávez, R., Scarlat, N., Mahlkneccht, J., Dallemand, J.F. y Parra, R. (2014). “Renewable energy research progress in Mecico: A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 32, Elsevier, 140-153.

Cervantes Barranco, D.O. (2014). “Geotecnia Marina aplicada a Infraestructura de energía renovable”, Monografía para obtener el título de Ingeniero Civil, UPAEP, Puebla. Pue.

Economía, S.D. (2012). "Informe anual de la Secretaria de Economia". Mexico; Secretaria de Economia, PROMÉXICO.

Moreno Figueredo, C, Leyva Viamonte, G y Matos Velunza, L. (2005). "Estado actual y desarrollo de la energía eólica en Cuba", disponible en www.cubasolar.cu/biblioteca/Ecosolar/Ecosolar02/HTML/Articulo01.htm.

Plaxis, 2D Version 8 (2002), Edited by R.B.J. Brinkgreve, Delft University of Technology & PLAXIS b.v., The Netherlands.

Plaxis, 3D Foundation, Version 1 (2004), Edited by Edited by R.B.J. Brinkgreve and W. Broere,Delft University of Technology &PLAXIS b.v., The Netherlands. A.A. Balkema Publishers Lisse/Abingdon/ Exton (PA)/ Tokio.




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