COSTA

Artículos científicos

• Hybrid testing system development for single point mooring lines FOWTs by O. Pires-Jiménez, J. Azcona-Armendáriz, Carlos Casanovas, Ignacio Castelló.
• OF2: Coupling OpenFAST and OpenFOAM for high-fidelity aero-hydro-servo-elastic FOWT simulations by G. Campaña-Alonso, R. Martín-San-Román, B. Méndez-López, P. Benito-Cia, J. Azcona-Armendáriz.
• High fidelity Computational Fluid Dynamics models comparison in the simulation of full scale floating platform under free decay tests by M. Gil-Liberal, J. Fuertes, A. Torres, J. Armañanzas, J. leon, G. Campaña, B. Mendez.

Comunicaciones en congresos

• EERA DEEPWIND24. 17-19/01/2024. Trondheim, Noruega.

La energía eólica marina flotante (FOWT) se ha consolidado como una prioridad estratégica clave para la transición energética. Esto se debe al gran potencial eólico en mar abierto, que ofrece una vasta superficie con bajo impacto ambiental, acústico y visual, especialmente útil ante la creciente ocupación de los emplazamientos eólicos en tierra. En particular, la tecnología FOWT se hace indispensable en localizaciones con gran profundidad, donde las estructuras fijas al lecho marino no son viables. Navarra, con un fuerte tejido industrial en el sector de las energías renovables, ha apostado decididamente por este impulso.

Uno de los retos más significativos en esta tecnología es el control del giro alrededor del eje vertical (guiñada) de toda la plataforma flotante. El propio par que genera el rotor del aerogenerador desalinea el sistema, y la inherente escasa rigidez de la estructura flotante es insuficiente para contrarrestar este efecto. Las consecuencias son críticas: la desalineación respecto al viento incrementa las cargas y la fatiga estructural, reduce la producción de energía y, en situaciones extremas, puede desestabilizar completamente el conjunto.

El proyecto COSTA nace con el objetivo de resolver este problema fundamental que limita el desarrollo de la eólica marina flotante. Su propuesta principal es desarrollar una estrategia de control que actúe sobre el ángulo de paso (pitch) de las palas del rotor para generar momentos restauradores, contrarrestando el par de guiñada.

Para lograr esta solución, COSTA se enfoca primero en superar las limitaciones actuales de los modelos de simulación y los métodos de ensayo. Hoy en día, estas herramientas no son lo suficientemente precisas para representar situaciones donde el sistema flotante experimenta grandes giros, lo que impide abordar eficazmente el problema de la guiñada. El proyecto busca mejorar estos modelos y técnicas para optimizar los diseños de aerogeneradores flotantes. Todas las mejoras desarrolladas en modelos, ensayos y control se evaluaron sobre un modelo de aerogenerador flotante público, utilizando Indicadores Clave de Rendimiento (KPIs) para cuantificar su impacto en la reducción del coste de la energía eólica flotante.

Las tareas de control, inicialmente enfocadas en aerogeneradores monoturbina, se modificaron para aplicarse a aerogeneradores flotantes biturbina debido a las necesidades de un cliente industrial. En estas plataformas, que a menudo carecen de un mecanismo de guiñada individual en las turbinas y utilizan un sistema de amarre de punto único (SPM) que permite la rotación de toda la plataforma para alinearse con el viento, se ha desarrollado una estrategia de control coordinador.

El control coordinador es una jerarquía de control superior que tiene como objetivo principal asegurar que ambas turbinas permanezcan orientadas al viento para maximizar la producción energética. La estrategia se basa en generar una diferencia de empuje aerodinámico entre los rotores. Esto se logra modificando la referencia de velocidad de rotación que se envía a los controladores individuales de cada turbina, lo que a su vez varía la consigna de pitch de las palas y/o el par del generador. De esta manera, una turbina aumenta su empuje mientras la otra lo reduce, provocando un momento que tiende a alinear la plataforma con el viento.

Resultados del Control:

• Se ha conseguido evitar la deriva incontrolada de guiñada.
• Sin embargo, los desalineamientos aún pueden ser significativos
• Esta mejora se consigue a expensas de un uso intensivo del pitch de las palas, lo que presenta desafíos para su adaptación en un caso real.
• Por lo tanto, se ha identificado que esta es una línea prometedora para continuar investigando.

Respecto a las simulaciones Acopladas de Interacción Fluido-Estructura:

• Se han realizado simulaciones con OpenFOAM (CFD) de la interacción entre la plataforma y el oleaje, tanto para plataformas fijas como para plataformas con 6 grados de libertad y un sistema de amarre SPM.

• Acoplamiento de Sistemas de Fondeo a Códigos CFD: Se ha logrado acoplar MoorDyn, un modelo que representa los efectos dinámicos de las líneas de fondeo, con OpenFOAM. Este acoplamiento es crucial para una representación precisa de las fuerzas de amarre, ya que MoorDyn considera efectos como la inercia, el amortiguamiento, la flotabilidad y las fuerzas hidrodinámicas.
• Comparación de Herramientas de Simulación: Se han llevado a cabo comparaciones entre los códigos OpenFOAM y XFlow para simular casos de decaimiento (pitch, heave) de la plataforma DeepCWind. Los resultados de ambos códigos compararon satisfactoriamente en diversas condiciones.
• Simulación de Movimientos Extremos: OpenFOAM ha demostrado ser capaz de simular un giro extremo de 30º en el eje Z con una simulación convergida, validando su funcionamiento en estas condiciones exigentes.
• Acoplamiento Hidrodinámico-Aeroelástico: Se ha logrado acoplar OpenFOAM (para la simulación hidrodinámica de la plataforma con CFD) con OpenFAST de NREL (para la simulación del funcionamiento del aerogenerador). Este acoplamiento permite intercambiar fuerzas y momentos entre el aerogenerador y la plataforma en cada paso de tiempo, obteniendo información detallada en todos los componentes del sistema aerogenerador-plataforma flotante.

Finalmente, el proyecto COSTA logró mejorar los ensayos a escala en canal para aerogeneradores flotantes con SPM. La mejora de estas metodologías se demostró en un ensayo a escala en el CEHIPAR (Madrid).

En síntesis, COSTA está sentando las bases para superar los complejos desafíos de la eólica marina flotante mediante el desarrollo de estrategias de control innovadoras y la mejora sustancial de las herramientas de simulación y ensayo, lo que es fundamental para reducir el coste de esta tecnología emergente y vital para la transición energética.