Estudio de la socavación y su mitigación en estructuras de tipo monopilote

Abstract

La generación de energía sigue siendo el mayor contribuyente de la emisión de los gases de efecto invernadero, y por tanto el impulso de energías renovables es fundamental para el progreso hacia un sistema sostenible. En el ámbito europeo destaca la aportación de la energía eólica al mix energético, y en especial en los últimos años la irrupción de la energía eólica offshore por los beneficios que ofrece respecto a la técnica habitual. En contraposición, la energía eólica supone un nuevo reto para el mundo de la ingeniería, principalmente por la particularidad de la interacción entre el terreno, el flujo y la estructura. Es por ello que, a lo largo de este documento, se analiza en profundidad uno de los fenómenos que ejercen una influencia significativa en estas estructuras, y por lo tanto se ven repercutidas en el coste total de la energía. La socavación se define como la erosión del lecho marino a causa de la acción hidrodinámica, y es especialmente sensible cuando se ubica un obstáculo o estructura sobre el lecho a causa de las distorsiones que sufre el flujo en su entorno. En los primeros capítulos se describen las características principales de la socavación, así como los principales parámetros influyentes, que sirven como base teórica para comprender los procedimientos de los siguientes puntos. El estudio se centra en el caso particular de estructuras monopilotadas, ya que son estas las más habituales en la implantación de aerogeneradores marinos. Una vez desarrolladas las bases teóricas necesarias, se realiza una revisión bibliográfica de los procedimientos para la predicción de la socavación y posteriormente para el dimensionamiento de la protección. En estos puntos se enumeran varias formulaciones propuestas por otros autores, junto con los procedimientos necesarios para su correcta aplicación. La comparación entre las diferentes propuestas de cálculo se lleva a cabo mediante la generación de diferentes modelos matemáticos, los cuales se emplean en dos plantas eólicas offshore para analizar la variabilidad de los resultados. Finalmente, gracias al estudio de los datos proporcionados por los diferentes modelos, es posible adquirir una visión global de las certezas y las incertidumbres que existen actualmente en los procedimientos de cálculo. En este sentido, son varios los parámetros que han mostrado una excesiva variabilidad entre modelos, y por tanto se ha hecho patente la necesidad de profundizar en su investigación y realizar ensayos de laboratorio específicos para un correcto dimensionamiento. Aunque, por otro lado, las graduaciones resultantes de las protecciones han sido positivas tras su comparación con otros estudios, por lo que las técnicas actuales sí que pueden ofrecer una aproximación general a la respuesta del entorno en relación al proceso de la socavación y el comportamiento de la protección.

Energy generation continues to be the largest contributor to greenhouse gas emissions, and therefore the promotion of renewable energies is essential for progress towards a sustainable system. At the European level, the contribution of wind energy to the energy mix stands out, and especially in recent years the emergence of offshore wind energy has been particularly noteworthy due to the benefits it offers compared to conventional technology. In contrast, wind energy represents a new challenge for the world of engineering, mainly due to the particularity of the interaction between seabed, flow and structure. This is why, throughout this document, an in-depth analysis is made of one of the phenomena that has a significant influence on these structures, and therefore has an impact on the total cost of energy. Scour is defined as the erosion of the seabed due to hydrodynamic action, and is particularly sensitive when an obstacle or structure is placed on the seabed due to the distortions suffered by the flow around it. The first chapters describe the main characteristics of scour, as well as the main influential parameters, which serve as a theoretical basis for understanding the procedures in the following sections. The study focuses on the case of monopile structures, as these are the most common in the implementation of offshore wind turbines. Once the necessary theoretical bases have been developed, a bibliographical review of the procedures for predicting scour and subsequently for sizing the protection is carried out. In these points, several formulations proposed by other authors are listed, together with the necessary procedures for their correct application. The comparison between the different calculation proposals is carried out by generating different mathematical models, which are used in two offshore wind farms to analyse the variability of the results. Finally, thanks to the study of the data provided by the different models, it is possible to acquire a global vision of the certainties and uncertainties that currently exist in the calculation procedures. In this sense, there are several parameters that have shown an excessive variability between models, and therefore the need for further research and specific laboratory tests for a correct dimensioning has become evident. However, the resulting graduations of the protections have been positive after comparison with other studies, so that current techniques can offer a general approximation of the response of the environment in relation to the scour process and the behaviour of the protection.