La reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en las plataformas productoras de petróleo en alta mar es una preocupación creciente de la industria del petróleo y gas. En Brasil, dos proyectos de investigación en curso podrían contribuir para lograr este objetivo. La petrolera brasileña Petrobras y la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP) trabajan en un sistema de generación eólica flotante apto para suministrar energía eléctrica a las unidades productoras instaladas en la región del presal, en el litoral marítimo brasileño. La otra iniciativa es una asociación entre la empresa petrolera China National Offshore Oil Corporation (CNOOC) y el Instituto Alberto Luiz Coimbra de Posgrado e Investigaciones en Ingeniería de la Universidad Federal de Río de Janeiro (Coppe-UFRJ). En agosto, ambas instituciones acordaron una alianza para el desarrollo de parques offshore de generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables híbridas.
Tradicionalmente, las plataformas petroleras en alta mar se han abastecido de electricidad mediante generadores diésel o de gas natural. Las reservas del presal brasileño se caracterizan por su composición de gas natural asociado al petróleo. Las plataformas situadas en esta región utilizan el gas extraído in situ para impulsar sus generadores.
Según Segen Estefen, profesor de estructuras oceánicas e ingeniería submarina del Coppe, los mayores buques-plataforma del tipo FPSO (las siglas en inglés de Unidad Flotante de Almacenamiento y Descarga) que operan en el presal necesitan generadores con 150 megavatios (MW) de potencia instalada cada uno. La energía generada en las plataformas alimenta los diversos dispositivos necesarios para la prospección, tales como la producción, la separación del petróleo y el gas, la inyección de agua y la reinyección de gas en los pozos, así como el alojamiento de los trabajadores.
El proyecto en desarrollo en la Poli-USP prevé el uso de un sistema flotante de generación eólica montado sobre una base anclada en el fondo del mar para el abastecimiento directo de los sistemas submarinos o del propio FPSO, reduciendo la emisión de GEI del generador a gas natural. “La idea es que la estructura permanezca anclada a una distancia segura de la plataforma y transportar la energía mediante cables eléctricos denominados umbilicales”, explica Alexandre Simos, coordinador del proyecto y docente de ingeniería naval y oceánica de la Poli.
Una distancia segura es aquella que garantice que no se producirán daños en la plataforma en caso de una avería en el sistema de amarras o en la situación extrema de un eventual vuelco del aerogenerador. El rotor de este dispositivo, compuesto por las palas, que normalmente son tres, y el cubo central o buje donde encuentran fijadas, llega a medir 220 metros (m) de diámetro, lo que equivale a seis veces el tamaño de la estatua del Cristo Redentor, de Río de Janeiro. Gran parte del esfuerzo de ingeniería del proyecto consiste en evitar la posibilidad de este tipo de incidentes.
La tecnología de generación eólica es la misma para los aerogeneradores instalados en tierra firme, fijados al lecho oceánico en aguas poco profundas o en plataformas flotantes (lea en Pesquisa FAPESP, ediciones nº 275 y 290). Sin embargo, la instalación de sistemas flotantes en alta mar requiere estudios acerca de los tipos de plataformas y anclajes más apropiados para brindar soporte a los aerogeneradores en cada circunstancia marítima y climática, incluyendo el régimen de vientos de cada lugar. También es necesario realizar cálculos avanzados sobre la estabilidad y las aceleraciones de la plataforma flotante elegida, teniendo en cuenta las múltiples condiciones combinadas de oleaje, vientos y corrientes marinas.
El proyecto de la USP y Petrobras optó por una plataforma flotante semisumergible que soporta un generador de 15 MW de potencia, con la que se podrían montar pequeños parques eólicos flotantes capaces de satisfacer entre un 10 % y un 30 % de las necesidades de un FPSO, dependiendo de su tamaño. Se trata de una estructura de unos 100 m de diámetro, conformada por cuatro columnas cilíndricas construidas en acero naval, una aleación metálica con características anticorrosivas y buena soldabilidad, con un calado (la porción sumergida) de menos de 20 m. Una de las columnas es la base de la torre del aerogenerador. Un sistema de cadenas y cables de acero unidos a pilotes en el fondo del mar oficia como anclaje del sistema.
En agosto se probó una versión a escala reducida en el Laboratorio de Tecnología Oceánica (LabOceano) del Coppe, que reprodujo las condiciones extremas del presal de la cuenca de Santos, región situada a unos 300 kilómetros (km) de la costa en una zona donde la profundidad del mar supera los 2.000 metros. “Fue la primer prueba realizada en el mundo de una estructura eólica concebida para desempeñarse en estas condiciones y podemos afirmar que a nivel técnico, los resultados fueron positivos”, dice Simos. Ha sido un experimento pionero en evaluar el uso de la energía eólica para abastecer a un sistema submarino de inyección de agua en un pozo de petróleo.
Para el ingeniero naval Kazuo Nishimoto, docente del Departamento de Ingeniería Naval y Oceánica de la Poli-USP y director científico del Centro Innovación en Tecnología Offshore (Otic), uno de los Centros de Investigaciones en Ingeniería (CPE) financiados por la FAPESP y por la multinacional petrolera Shell, los parques eólicos constituyen una de las alternativas más prometedoras para abastecer de electricidad a las plataformas petroleras en alta mar, pero antes hay que superar algunos obstáculos.
“En el plano técnico, la instalación, operación y mantenimiento de estas centrales en aguas profundas todavía reviste un reto, ya que estarán sometidas a regímenes de oleaje, vientos y corrientes marinas extremos. Deberán diseñarse y desarrollarse nuevos sistemas que permitan su instalación y mantenimiento a un costo razonable”, dice Nishimoto. “Además, las estructuras generadoras de energía renovable offshore, como las eólicas o solares, aún son muy caras en comparación con los sistemas convencionales que se utilizan actualmente, que emiten CO2 [dióxido de carbono]. Habrá que reducir los costos para que sean económicamente factibles”. El Centro de Innovación en Tecnología Offshore se dedica a analizar e integrar diversas soluciones de descarbonización en las operaciones offshore.
EquinorEl parque eólico flotante Hywind, frente a las costas de Escocia: el primer proyecto comercial instalado en alta marEquinor
La cooperación entre la empresa china CNOOC y la UFRJ contempla dos proyectos que serán dirigidos por el Grupo de Energías Renovables en el Océano (Gero), vinculado al Laboratorio de Tecnologías Submarinas del Coppe. Uno de ellos estudiará cuáles son las tecnologías de plataformas eólicas offshore para profundidades de hasta 150 m más adecuadas para las condiciones del mar, el clima y el régimen de vientos del litoral brasileño.
El estudio también incluye determinar cuáles serían los mejores diseños de producción de las estructuras, la adecuación de los insumos disponibles, como el acero y el hormigón con mejor rendimiento, y la logística de remolque de la estructura desde el astillero hasta el lugar de funcionamiento. Los procedimientos de mantenimiento y reparación de los equipos instalados en alta mar también son temas que abordan los investigadores.
El otro proyecto coordinado por el Gero se centra en el abastecimiento eléctrico de plataformas petroleras situadas en aguas profundas, entre 500 y 2.500 m, utilizando el concepto de parques híbridos, que incluyen generación eólica, solar fotovoltaica y a través de conversores de energía undimotriz, aquella que aprovechan la fuerza de las olas para mover una turbina y generar electricidad (lea en Pesquisa FAPESP, ediciones nº 113 y 290).
La idea es que cada generador tenga su base flotante propia, pudiendo o no compartir los sistemas de anclaje. Las ventajas potenciales a estudiarse son la estabilidad y seguridad que la combinación de distintas fuentes puede proporcionarle al sistema. “Un gran desafío para las instalaciones en aguas profundas es el impacto de las olas de gran magnitud sobre los sistemas eólicos y solares”, describe Estefen.
Los investigadores plantean instalar los convertidores de olas con el propósito de proteger al conjunto de generadores eólicos y solares. Así, además de generar energía, estos dispositivos funcionarán como amortiguadores, reduciendo el impacto de las olas aguas arriba, antes de que lleguen a las usinas generadoras de energía. “Con mayor estabilidad, los generadores eólicos ganan productividad y los fotovoltaicos durabilidad”, explica el ingeniero.
Las centrales solares flotantes (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 324) actualmente solo se instalan en aguas calmas. Por esta razón, deberán probarse y, eventualmente perfeccionarse para utilizarlas bajo condiciones más turbulentas. “Serán dos años de intenso trabajo hasta poder probar el prototipo de parque híbrido en el LabOceano”, dice Estefen.
El primer parque eólico offshore flotante del mundo funciona desde hace seis años en Europa. Diseñado por la empresa petrolera noruega Equinor, fue instalado en 2017 en el mar del Norte y está compuesto por cinco turbinas situadas a menos de 30 km de Peterhead, la ciudad de la costa escocesa adonde se envía la energía generada.
Este año, Equinor inauguró el mayor parque eólico flotante del mundo, también en el mar del Norte, para el suministro de electricidad a plataformas petroleras. Compuesto por 11 turbinas con una capacidad instalada de 88 MW, proveerá el 35 % de los requerimientos energéticos de sus cinco plataformas petroleras locales, evitando la emisión de unas 200.000 toneladas de GEI por año.
La infraestructura se encuentra instalada a 140 km de la costa de Noruega, en aguas de hasta 300 m de profundidad, mucho menos que los 2.000 m del presal brasileño. Tanto la estructura pionera escocesa como la recientemente inaugurada en el mar del Norte utilizan bases flotantes del tipo spar, una tecnología consistente en un único cilindro vertical cuyo calado puede superar los 100 m, dependiendo de la instalación.
Por su parte, Petrobras ha presentado una solicitud de licencia ambiental para la instalación de un parque eólico flotante en aguas de entre 120 y 160 m de profundidad, situadas a 42 km de Cabo Frio, frente a las costas de Río de Janeiro. El pedido prevé la instalación de hasta 178 aerogeneradores de 18 MW cada uno. De momento, Brasil no cuenta con una legislación sobre el derecho de uso de áreas marítimas para la generación de energía renovable, ni una normativa para su concesión. En el Congreso Nacional se estudian tres proyectos de ley destinados a regular el tema.
Proyectos
1. Otic – Centro de Innovación en Tecnología Offshore (no 22/03698-8); Modalidad Centros de Investigaciones en Ingeniería (CPE); Convenio BG E&P Brasil (grupo Shell); Investigador responsable Kazuo Nishimoto; Inversión R$ 16.027.741,80.
2. Modelado y simulación numérica aplicados a la energía eólica – Una parte de esta propuesta HPCWE se remitió a la convocatoria H2020-FETHPC-2018-2020 (no 19/01507-8); Modalidad Ayuda de Investigación – Regular; Convenio Unión Europea (Horizonte 2020); Investigador responsable Bruno Souza Carmo; Inversión R$ 164.874,24.
