Resumen ejecutivo
La energía eólica offshore ha evolucionado más allá de las aguas costeras poco profundas. Las plataformas flotantes permiten instalar aerogeneradores en aguas profundas, donde los vientos son más fuertes y constantes. Estas estructuras, ancladas al fondo marino pero libres de tocarlo, utilizan diseños ingeniosos como spar buoys, semisumergibles y tendem-rafts para mantener la estabilidad frente a olas y corrientes. Esta tecnología abre el 80% del potencial eólico marino global, ofreciendo una fuente de energía renovable masiva y predecible, clave para la descarbonización de la matriz eléctrica mundial.
Introducción
Durante décadas, los parques eólicos marinos se limitaron a zonas cercanas a la costa, donde el fondo oceánico es lo suficientemente superficial para enterrar torres gigantescas directamente en el lecho marino. Sin embargo, esta estrategia deja inexplorada la mayor parte del océano, donde las profundidades superan los 60 metros y los vientos soplan con una fuerza y constancia superiores. La solución a este desafío llegó con la ingeniería naval aplicada a la energía: las plataformas flotantes para aerogeneradores. Estas estructuras no se apoyan en el fondo, sino que flotan en la superficie, sujetas por sistemas de amarre y anclaje que les permiten resistir las fuerzas del mar sin derivar. Al liberar a la energía eólica de las limitaciones geográficas del fondo marino, esta tecnología promete democratizar el acceso a una de las fuentes de energía renovable más potentes del planeta.
Desarrollo
El Desafío de la profundidad y la estabilidad
El principal obstáculo para la energía eólica en alta mar es la física del océano. A medida que nos alejamos de la costa, el fondo marino cae abruptamente. Más allá de los 50-60 metros de profundidad, el costo y la complejidad de construir una fundación fija se vuelven prohibitivos. Aquí es donde entra en juego la flotación. En lugar de luchar contra la profundidad, las plataformas flotantes la aceptan, convirtiéndose en islas artificiales móviles para los aerogeneradores.
Sin embargo, flotar no es suficiente. Un aerogenerador moderno puede tener una torre de más de 100 metros de altura y palas que barren un área equivalente a varios campos de fútbol. La fuerza del viento sobre esta enorme superficie genera un momento de vuelco tremendo, mientras que las olas y las corrientes ejercen fuerzas laterales y verticales constantes. La plataforma debe contrarrestar estas fuerzas para evitar que el aerogenerador se incline peligrosamente o se dañe. La estabilidad se logra mediante tres principios físicos fundamentales: la flotabilidad, el centro de gravedad y el calado (la profundidad a la que se sumerge la plataforma).
Principales Diseños de Plataformas Flotantes
Los ingenieros han desarrollado tres arquitecturas principales, cada una con sus propias ventajas y desafíos técnicos.
- Spar Buoys (Boyas Spar): Este diseño se inspira en las boyas oceanográficas y las plataformas petroleras. Consiste en una columna cilíndrica muy larga y pesada que se sumerge cientos de metros bajo la superficie. La clave de su estabilidad está en su centro de gravedad, que se sitúa muy bajo gracias a lastres de agua o materiales densos en su base. Mientras tanto, su centro de flotación (el punto donde actúa la fuerza de empuje del agua) está mucho más arriba. Esta separación vertical entre el centro de gravedad y el centro de flotación crea un «brazo de palanca» natural que, ante cualquier inclinación, genera un momento restaurador que empuja la plataforma de vuelta a su posición vertical. Su gran calado lo hace muy estable en aguas profundas, pero su construcción y remolque requieren puertos con canales muy profundos.
- Semisumergibles: Este es quizás el diseño más versátil. Se compone de varias columnas verticales conectadas por una estructura de pontones sumergidos. La estabilidad no proviene de un gran calado, sino de la distribución del volumen de flotación. Al tener múltiples puntos de flotación separados horizontalmente, la plataforma resiste eficazmente el balanceo y el cabeceo. Es más fácil de construir en astilleros estándar y su calado es menor que el de un spar, lo que facilita su instalación en una gama más amplia de puertos. Sin embargo, su mayor exposición a las olas superficiales puede requerir sistemas de control de movimiento más sofisticados.
- Tendem-Rafts (Balsas en tándem): Este diseño innovador utiliza dos cascos alargados, similares a barcazas, conectados por una estructura rígida sobre la que se monta la torre del aerogenerador. La estabilidad se logra alineando los cascos con la dirección predominante del viento. Cuando el viento sopla, empuja la plataforma, pero los sistemas de amarre, ubicados en la proa y la popa, crean una tensión que mantiene la plataforma orientada y estable. Su simplicidad de diseño y construcción lo convierte en una opción atractiva de bajo costo, aunque su rendimiento puede ser más sensible a los cambios bruscos en la dirección del viento.
Sistemas de amarre y anclaje: La conexión invisible
Una plataforma flotante es inútil sin un sistema que la mantenga en su posición designada. Los sistemas de amarre son la «raíz» invisible de estos árboles de viento. Existen dos filosofías principales:
- Amarre en catenaria: Utiliza cadenas o cables de acero pesados que forman una curva natural (catenaria) entre la plataforma y el ancla en el fondo. La masa del cable mismo proporciona una fuerza de restauración; si la plataforma se mueve, la tensión en el cable aumenta, tirando de ella de regreso. Es un sistema pasivo, robusto y de bajo costo, ideal para fondos blandos.
- Amarre tensa (Taut-Leg): Emplea cables de acero o cuerdas sintéticas de alta resistencia que se mantienen casi en línea recta entre la plataforma y el fondo. La restauración se logra por la elasticidad del cable; cualquier movimiento de la plataforma estira el cable, y la tensión resultante lo devuelve a su lugar. Este sistema ofrece un control de posición más preciso y reduce el movimiento de la plataforma, pero es más caro y complejo de instalar.
La elección del sistema depende de la profundidad del agua, las condiciones del fondo marino y el tipo de plataforma.
Dinámica acoplada: La danza compleja del viento, las olas y la electricidad
El verdadero reto de la ingeniería radica en entender cómo interactúan todos estos elementos. Un aerogenerador flotante no es solo una plataforma más un generador; es un sistema dinámico acoplado. El viento hace girar las palas, generando electricidad, pero también empuja la torre, haciendo que la plataforma se incline. Esta inclinación cambia el ángulo de ataque de las palas al viento, lo que a su vez afecta la potencia generada y las cargas estructurales. Simultáneamente, las olas hacen que la plataforma se balancee, lo que también altera el flujo de aire sobre las palas.
Para diseñar estas estructuras, los ingenieros usan simulaciones computacionales extremadamente complejas que modelan el comportamiento del viento, las olas, la respuesta hidrodinámica de la plataforma y la respuesta aerodinámica del rotor, todo en tiempo real. El objetivo es crear un sistema que sea lo suficientemente flexible para absorber las fuerzas del entorno sin romperse, pero lo suficientemente rígido para que el aerogenerador pueda operar de manera eficiente.
El Caso de Hywind Scotland: La Prueba de Concepto Comercial
El primer parque eólico flotante a escala comercial del mundo, Hywind Scotland, inaugurado en 2017 por Equinor, demostró la viabilidad de la tecnología. Ubicado a 25 km de la costa escocesa en aguas de 95 a 120 metros de profundidad, el parque cuenta con cinco aerogeneradores de 6 MW montados en plataformas spar. A pesar de las duras condiciones del Mar del Norte, el parque ha superado las expectativas de producción, alcanzando un factor de capacidad (la relación entre la energía producida y la máxima teórica) del 54% en su primer año, una cifra extraordinaria incluso para parques eólicos terrestres. Este éxito ha sido el catalizador para una oleada de proyectos piloto y comerciales en todo el mundo, desde Portugal hasta Japón y California.
Líneas de investigación e investigaciones futuras
El futuro de la energía eólica flotante se centra en tres frentes principales. Primero, la reducción de costos a través de la estandarización de diseños y la fabricación en serie en astilleros, similar a la industria naval. Segundo, el desarrollo de plataformas híbridas que combinen la generación eólica con otras tecnologías, como la producción de hidrógeno verde a bordo o la acuicultura integrada, para maximizar el uso del espacio marino. Tercero, la creación de sistemas de control activo avanzados, que usen sensores y actuadores para ajustar en tiempo real la orientación de la plataforma o el paso de las palas, minimizando los movimientos y optimizando la producción de energía en condiciones marinas variables. Finalmente, la investigación en materiales compuestos ligeros y resistentes a la corrosión promete estructuras más duraderas y económicas a largo plazo.
Conclusiones
Las plataformas flotantes para energía eólica offshore representan un salto cuántico en nuestra capacidad para aprovechar los recursos renovables del planeta. Al liberar la energía del viento de las limitaciones del fondo marino, esta tecnología abre un vasto territorio oceánico para la generación de electricidad limpia, fiable y de gran escala. Aunque los desafíos de ingeniería son inmensos, el éxito de proyectos pioneros como Hywind Scotland ha demostrado que es posible dominar la danza compleja entre el viento, las olas y la maquinaria. A medida que la tecnología madure y los costos disminuyan, las granjas de turbinas flotantes se convertirán en una columna vertebral fundamental de la transición energética global, llevando la revolución renovable a las profundidades del océano.
Referencias
- DNV. (2023). Floating wind outlook. DNV Group. https://www.dnv.com/energy-insights/floating-wind-outlook/index.html
- Equinor. (n.d.). Hywind Scotland. Equinor Projects. https://www.equinor.com/en/projects/hywind-scotland.html
- IRENA. (2022). Innovation Outlook: Floating offshore wind. International Renewable Energy Agency. https://www.irena.org/publications/2022/Dec/Innovation-Outlook-Floating-offshore-wind
- Musial, W., Beiter, P., & Duffy, P. (2022). 2021 Cost of Wind Energy Review. National Renewable Energy Laboratory (NREL). NREL/TP-5000-82163. https://www.nrel.gov/docs/fy22osti/82163.pdf
- U.S. Department of Energy. (2023). Floating Offshore Wind Shot. Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. https://www.energy.gov/eere/wind/floating-offshore-wind-shot
- Wang, C. M., Nguyen, D. H., & Hu, Z. (2022). Floating Offshore Wind Turbines: Design and Analysis. Springer. https://doi.org/10.1007/978-981-19-1500-7
Autor: Daniel Escobar Celis
Centro de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial
