Datos de campo de una planta fotovoltaica saudí de 150 MW (4200 electrodos químicos, resistencia media de las almohadillas de 3,1 Ω) y envíos de exportación a Oriente Medio, África y el Sudeste Asiático: por qué fallan las varillas hincadas estándar en suelos arenosos, rocosos y lateríticos, y qué recomienda el documento de contratación.

La conversación en la que quiero basar este artículo tuvo lugar en agosto de 2020, cuando una empresa EPC con sede en Madrid envió la consulta que se convirtió en el proyecto fotovoltaico saudí de 150 MW del que provienen los datos de campo de este artículo. El correo electrónico de consulta preguntaba sobrebarras de tierra químicaPara un emplazamiento fotovoltaico a gran escala donde el estudio de resistividad del suelo había arrojado valores entre 1500 y 2200 Ω·cm. El informe geotécnico era claro, la empresa de ingeniería, adquisición y construcción (EPC) era competente, y el emplazamiento se ubicaba en un cinturón de caliche que el ingeniero jefe había visto en un proyecto más pequeño en Chile en 2018, donde un inventario de varillas de riego había superado el margen de tensión de contacto en el tercer año debido a que se omitieron dos visitas de riego programadas durante las restricciones de viaje por la COVID-19. No quería que se repitiera esa situación. El artículo que está leyendo es el argumento de ingeniería que surgió de ese correo electrónico: el marco de tipos de suelo que la EPC finalmente incluyó en el documento de contratación, y los datos de campo de la planta que lo generaron.

Esta guía está dirigida a los equipos de compras que reciben una consulta similar: propietarios de proyectos en Oriente Medio, África y el Sudeste Asiático que tienen su informe geotécnico en sus manos, cuyo equipo de diseño solicita un electrodo químico en lugar de una varilla hincada y cuyo documento de compras debe redactarse en las próximas dos semanas. Los tres tipos de suelo que se describen a continuación —arena, roca y laterita— son los que aparecen con mayor frecuencia en dichos informes, y los modos de falla son específicos de cada uno. Lo que no varía entre los tres es la respuesta del equipo de compras.

1. Suelo arenoso: el fallo del cable en el aire.

La arena seca es el modo de fallo más contraintuitivo de los tres. En teoría, parece un medio de puesta a tierra perfectamente adecuado: es suelta, drena bien y es fácil de perforar. Sin embargo, la lectura del medidor Wenner de cuatro puntas revela una realidad diferente. La arena seca del desierto a 1 m de profundidad suele presentar valores entre 3000 y 10 000 Ω·cm; la arena de dunas a 1,5 m de profundidad puede superar los 20 000 Ω·cm en el peor de los casos. La razón es iónica, no mecánica: la arena seca prácticamente no contiene arcilla ni minerales disueltos que conduzcan la corriente lejos de la superficie de la varilla.

Lo que modifica el cálculo es la humedad en la superficie de la varilla. A varilla de tierra químicaSe trata de un núcleo revestido de cobre dentro de un anillo perforado de 100 mm, el cual está relleno con un compuesto higroscópico (típicamente bentonita mezclada con sulfato de magnesio). Este compuesto absorbe la humedad ambiental del suelo y la humedad estacional, la retiene contra la superficie de la varilla y libera lentamente contenido iónico en el volumen inmediato del suelo. Como resultado, la interfaz varilla-suelo se comporta como un suelo de aproximadamente 200 Ω·cm, incluso cuando el suelo circundante presenta una resistividad de 8000 Ω·cm. La geometría de la varilla NEMA GR-1 permanece inalterada; lo que cambia es el contacto con el suelo.

En nuestros envíos a Oriente Medio entre 2020 y 2025, la resistencia media de las plataformas en instalaciones de varillas de tierra química en el rango de arena de 2000 a 8000 Ω·cm fue de 3,6 Ω frente a un objetivo de diseño de 5 Ω, sin ciclo de riego. Las instalaciones de varillas hincadas en sitios adyacentes en el mismo rango registraron entre 18 y 42 Ω en la puesta en marcha y se volvieron a perforar durante el primer año. La varilla tenía el mismo diámetro. La diferencia radicaba en el relleno.

2. Suelo rocoso: el cuello de botella de la capa de caliche.

El sitio saudí que produjo los datos de campo de este artículo tenía una capa de caliche a 3,5 m en la esquina suroeste del arreglo. La especificación original requería varillas hincadas de 2,4 m, que funcionaron en el 94 % del arreglo. El 6 % restante se encontraba sobre caliche demasiado superficial para hincar y demasiado resistivo para ignorarlo. Los seis pads en esa esquina registraron una resistencia superior a 4,7 Ω durante la puesta en marcha, incluso con la varilla extendida a 3,0 m. Hicimos dos cosas: cambiamos a electrodos dobles en patrón delta (dos varillas de 2,4 m en un triángulo alrededor de cada pad) y añadimosmódulos de suelo de grafito de columnaen las almohadillas del transformador de media tensión en paralelo. La nueva prueba del quinto año arrojó un valor de 4,7 Ω en el peor de los casos —dentro del margen de diseño— debido a que los módulos extendieron la superficie equipotencial lateralmente donde la trayectoria vertical estaba bloqueada.

Los sitios rocosos se dividen en dos categorías prácticas para el equipo de adquisiciones. La primera es roca fracturada con huecos llenos de tierra, que se puede perforar, pero la varilla solo entra en contacto con la fracción de tierra, no con la matriz rocosa. La segunda es roca intacta o caliche (suelo cementado con carbonato de calcio) a la profundidad prevista del electrodo o cerca de ella, donde la perforación se vuelve imposible o antieconómica. Oriente Medio y el oeste de EE. UU. ven mucho de la segunda categoría; grandes partes de Arabia Saudita, Qatar y los Emiratos Árabes Unidos tienen una capa de caliche de entre 2 y 4 m, y laInformación mundial sobre suelos de ISRICEl catálogo presenta el mismo perfil en todo el Sahel y el Cuerno de África, en zonas estacionalmente secas.

Para una pregunta más profunda sobre adquisiciones en sitios rocosos, laCentro de datos de clasificación de suelos de la FAOpermite que un equipo de adquisiciones obtenga el mapa regional de suelos antes de que el contratista geotécnico se movilice, el lugar más económico para saber si el sitio se asienta sobre un sustrato de caliche o granito erosionado.Documento de referencia mundial sobre suelos de la FAOes la referencia de campo para los nombres de las clases de suelo que terminan en una BES (Hoja de Evaluación de Ofertas).

3. Suelo laterítico: el problema de la variación estacional.

La laterita es el tipo de suelo donde una varilla de accionamiento estándar supera la puesta en marcha, pero luego falla silenciosamente en el rango de voltaje de contacto durante la estación seca. La laterita es un suelo residual rico en hierro y aluminio, común en África tropical (Nigeria, Ghana, Kenia, Mozambique), el sur de Asia (gran parte de la India peninsular, Sri Lanka, partes de Bangladesh) y partes de Sudamérica (el noreste de Brasil, Guyana). El perfil del suelo está bien drenado y tiene un alto contenido de óxido de hierro, lo que le confiere su característico color marrón rojizo.

El problema eléctrico radica en la variación estacional. Los estudios de campo publicados sobre laterita de África Occidental suelen reportar una resistividad en la estación húmeda de entre 200 y 800 Ω·cm —perfectamente manejable para una varilla estándar— y una resistividad en la estación seca superior a 5000 Ω·cm —fuera del rango manejable para la misma varilla—. La varilla no cambia; lo que cambia es el suelo que la rodea. Un ciclo de riego de 6 meses puede estabilizar la lectura de la estación seca, pero el mismo problema de disciplina de riego reaparece: un equipo de riego que no llega en el momento adecuado deja la almohadilla dentro de la banda de falla de la ventana de voltaje de contacto durante el resto de la estación seca.

En el caso específico de los yacimientos lateríticos del sudeste asiático, se aplica la misma lógica estacional, aunque con una ligera variación en la cronología: la estación seca en Indonesia y Filipinas es más corta pero más intensa que la de África Occidental, lo que implica que la variación de la resistencia se concentra en un período más breve. El modelo operativo de varillas de tierra químicas —relleno que retiene la humedad, sin ciclo de riego— funciona en ambos casos.

4. Lo que dice el documento de contratación

En los tres tipos de suelo mencionados, la decisión de ingeniería es la misma: la varilla hincada estándar no es el producto adecuado. El documento de adquisición debe especificar cuál es el producto apropiado.

Tres controles en el lado de la adquisición marcan la diferencia entre una especificación que resuelve el problema y una especificación que crea el problema.

1. Se adjunta al pedido el informe de la prueba de tipo.Una varilla de puesta a tierra química no es solo el tubo de cobre, sino también la química que contiene. El proveedor debe enviar un informe de prueba de tipo de cuatro propiedades: factor de reducción de resistividad a humedad de referencia, estabilidad iónica a largo plazo a 60 °C / 30 días, retención de humedad a 90 días de secado y cumplimiento ambiental de la etapa ESIA. Perdimos un lote de 2019 debido a una mezcla de cloruro de sodio (el cloruro ataca los núcleos revestidos de cobre dentro de la vaina), y nuestro lote de proveedor de 2022 no superó la prueba de estabilidad iónica con una retención del 65 % —por debajo de nuestro umbral interno del 80 %— razón por la cual calificamos una línea de composición interna. El proveedor que no puede enviar ese informe es el proveedor que aparece al final del segundo año con un correo electrónico que dice "tenemos un compuesto nuevo y mejorado".
2. El estándar del conector está fijado en IEEE 837.Las abrazaderas mecánicas fallan la prueba de corriente de impulso enIEC 62561-1y no debe utilizarse en proyectos a gran escala. El estándar del conector es la parte de la especificación que protege el activo durante toda su vida útil de diseño de 25 años.
3. Geometría de la varilla porNEMA GR-1.Diámetro de 17,2 mm a 25,4 mm, espesor del revestimiento de cobre ≥ 254 µm. El espesor del revestimiento es crucial en cargas de corriente impulsiva (terminaciones ESE, almohadillas de media tensión): un revestimiento delgado es el primero en fallar.

5. Cierre: Lo que el departamento de compras debe preguntar primero

La planta saudí de 150 MW que da inicio a este artículo registró una resistencia media de las almohadillas de 3,1 Ω frente a un objetivo de diseño de 5 Ω en la prueba realizada al quinto año. La almohadilla con el peor valor, de 4,7 Ω, se encontraba en la esquina suroeste, donde la caliche dejó de funcionar verticalmente. Ninguno de estos datos se consideró como argumento de contratación cuando la empresa EPC de Madrid envió el correo electrónico de consulta de agosto de 2020; son el resultado de incluir la composición química del relleno, el estándar de los conectores, la geometría de las varillas y la reordenación de los parámetros del suelo en un mismo documento, y luego dejar que el equipo de instalación realizara el trabajo.

Si usted es propietario de un proyecto en Oriente Medio, África o el Sudeste Asiático y el documento de adquisición está abierto, la pregunta que determina si el proyecto se mantiene dentro de su ventana de diseño durante los próximos 25 años no es "¿qué varilla compro?", sino "¿cuál es la resistividad del suelo a la profundidad de electrodo planificada y cuál de los tres modos de falla anteriores se aplica?". Obtenga primero la respuesta sobre el suelo; la respuesta sobre el producto vendrá después. La pregunta de adquisición es entonces cuál de las dos familias de productos...varilla de tierra química or módulo de suelo de grafito de columna(o ambos, en los sitios más difíciles) — se ajusta a la banda de suelo y al límite de profundidad. La página completa de la categoría en/electrodo de puesta a tierra química/tiene las opciones de geometría y laLos 5 principales fabricantes de varillas de puesta a tierra de iones electrolíticos para 2025El blog tiene la lista de proveedores preseleccionados.

Para un paquete de muestras y un informe de prueba de tipo de cuatro propiedades sobre un proyecto específico, la ruta más rápida es laPágina de contactoLos envíos de muestras para proyectos de Oriente Medio, África y el Sudeste Asiático suelen salir de la fábrica en el plazo de una semana, con respuestas técnicas en el plazo de un día laborable.