Turbina eolica monotorre Siemens

Gli estensimetri HBM misurano il carico sulle fondamenta di 7 turbine eoliche offshore

Gli estensimetri e le apparecchiature per l’acquisizione dati di HBM sono stati utilizzati in un esperimento unico realizzato nel parco eolico di Westermeerwind nei Paesi Bassi per analizzare l’effetto di smorzamento del fondo marino sui carichi delle turbine eoliche.

 

Per rendere l’energia eolica più appetibile dei carburanti fossili e come conseguenza degli effetti della concorrenza, i fornitori oggi sono alla ricerca di nuovi metodi per fornire i megawatt necessari nel modo più economico possibile quando costruiscono parchi eolici offshore. Per raggiungere questo obiettivo, negli ultimi anni sono state introdotte molte innovazioni per quanto riguarda alberi, turbine e rotori. Siemens Windpower ha avviato un progetto finalizzato ad approfondire le conoscenze relative all’interazione tra il fondo marino e le fondamenta delle turbine eoliche.

Gli estensimetri e le apparecchiature per l’acquisizione dati di HBM sono stati utilizzati in un esperimento unico realizzato nel parco eolico di Westermeerwind nei Paesi bassi per analizzare l’effetto di smorzamento del fondo marino sui carichi delle turbine eoliche. Questo esperimento aveva lo scopo di ottenere parametri di input affidabili da utilizzare nel processo di progettazione delle fondamenta delle turbine eoliche.

Siemens Windpower è una società nuova nata come parte indipendente di Siemens AG il 1 gennaio 2017 dall’unione di diverse divisioni e acquisizioni Siemens operanti nel settore dell’energia eolica. Siemens Windpower B.V. (Paesi Bassi), si è trasformata nel frattempo in una società con circa 120 dipendenti. Gestisce i parchi eolici esistenti e si occupa dell’ingegneria e del project management relativi alla costruzione di nuovi parchi eolici.

Grazie alla sua collaborazione con TU Delft, Siemens Windpower Paesi Bassi si è gradualmente trasformata in un Centro di Competenza per lo sviluppo e la costruzione di turbine eoliche che si occupa essenzialmente del calcolo dei carichi e della progettazione di alberi e fondamenta. La ricerca relativa allo sviluppo e alla produzione di turbine viene effettuata principalmente presso le sedi danesi della società.

Concorrenza, innovazione e attenzione ai prezzi

Negli ultimi decenni l’energia eolica si è diffusa molto in tutto il mondo” spiega Jeroen Bongers di Siemens Windpower, Paesi Bassi. Negli ultimi 25 anni, nei Paesi Bassi sono state costruite molte turbine eoliche e molti parchi eolici. Oggi, più del 5% dell’elettricità generata nei Paesi Bassi proviene dalle turbine eoliche e anche se il Paese ha ancora molta strada da fare per raggiungere i primi posti a livello internazionale, siamo sulla strada giusta. Nell’Accordo sull’Energia del 2015, l’energia eolica ha avuto un posto di primo piano. Nei prossimi anni al largo della costa olandese presso Borssele e IJmuiden verranno effettuate installazioni per un totale di circa 4500 megawatt.”

Secondo Bongers, uno degli svantaggi di questa rapida crescita è l’aumento della concorrenza.

"Un numero sempre maggiore di consorzi partecipa ai bandi e l’attenzione ai prezzi è quindi sempre più alta, il che è comunque una buona cosa per il governo. Qualche anno fa, avevamo previsto un costo medio di 100 euro per megawatt nel 2020, invece è già sceso a 73 euro. Vattenfall ha sviluppato un nuovo parco eolico in Danimarca con un prezzo inferiore a 50 euro per megawatt. L’importante consorzio Kennis en Innovatie Wind op Zee (TKI-WoZ) ha calcolato che entro il 2020 è possibile che si arrivi a una riduzione del prezzo del 46% rispetto al 2010, il che renderebbe l’energia eolica molto competitiva ed eliminerebbe la necessità di sussidi.” La concorrenza e l’attenzione ai prezzi pongono le aziende di fronte alla sfida di ridurre il costo delle turbine eoliche e dei parchi eolici, il che implica importanti investimenti nella ricerca. Tutto ciò ha già avuto come conseguenza il fatto che la produzione delle turbine eoliche è raddoppiata, passando da 3,6 MW a 8 MW, in soli cinque anni. Bongers afferma:

“Il costo per un parco eolico con una produzione di 100MW costituito da 13 turbine eoliche da 8MW ciascuna è sicuramente molto più interessante di quello di un parco eolico con 25 turbine eoliche da 4MW ciascuna”.

Posizionamento della torre

Il progetto Disstinct

Siemens Windpower si occupa anche di ricerca nell’ambito delle nuove tecnologie e dei nuovi metodi di costruzione per le turbine eoliche. Il progetto Disstinct, che studia l’interazione tra il fondo marino e le fondamenta delle turbine eoliche, è iniziato nel 2014. 

‘Disstinct’ sta per Dynamic Soil Structure Interaction (Interazione dinamica tra suolo e struttura). Al progetto partecipano, oltre a Siemens e TU Delft, altre società quali Fugro, Van Oord e DNV-GL.

“Come potete immaginare, le fondamenta delle turbine eoliche sono estremamente importanti, Il rotore impone forze enormi sull’albero. Nel caso delle turbine eoliche offshore, bisogna tener conto, oltre che del vento, anche dei carichi delle onde" dice Bongers, responsabile del progetto Disstinct.

"La frequenza delle vibrazioni naturali dell’installazione è molto importante quando si deve progettare una struttura di supporto, in quanto essa definisce i carichi che può sopportare.

È molto importante prevedere correttamente questa frequenza, ma il fattore di incertezza maggiore è costituito dall’interazione tra la struttura e il fondo marino.

La rigidezza del suolo viene in genere sottovalutata nel caso delle strutture attuali che vengono calcolate in maniera conservativa, progettando fondamenta più forti e utilizzando una quantità di acciaio maggiore. La conseguenza logica di questo approccio è l’aumento del prezzo della turbina eolica, che non è auspicabile in un mercato altamente competitivo con una fortissima attenzione al prezzo.”

Esperimento nello IJsselmeer

Sappiamo molto delle forze statiche e dinamiche che agiscono sulle turbine eoliche, ma molto meno dell’effetto di smorzamento del fondo marino” spiega Bongers. “Per questo motivo, la nostra ricerca è stata indirizzata soprattutto al ruolo del fondo marino. In termini molto generali, un fondo più rigido assorbe più facilmente i carichi rispetto a un fondo meno rigido.

Quando si deve progettare una turbina eolica, quindi, le condizioni del terreno sottomarino costituiscono un punto di partenza importante; un’analisi approfondita del suolo consente di ricavare parametri di input migliori per la progettazione delle fondamenta.

Nel progetto Disstinct volevamo definire e validare questo rapporto, non soltanto utilizzando modelli computerizzati, ma anche nella pratica: il parco eolico di Westermeerwind è stato costruito con questo scopo.”

Questo parco eolico si trova nello IJsselmeer, lungo la costa del polder nord-orientale, a nord della città di Urk. Il parco genera  144 MW, una quantità sufficiente per fornire energia a 160.000 famiglie. Le 48 turbine eoliche Siemens sono disposte in due file e sono distanti circa 400-500 metri l’una dall’altra. Sono alte 95 metri e i rotori hanno un diametro di 108 metri. Nel luogo di installazione la profondità dell’acqua è compresa tra i 4 e i 7 metri.

Siemens si è aggiudicata l’appalto chiavi in mano per il parco eolico, che ha costruito insieme a Van Oord, BM4Wind, e VMBS con un contratto stipulato con Westermeer Wind B.V. Il parco eolico è stato commissionato ufficialmente dal Ministro dell’Economia Kamp il 21 giugno del 2016.

Fondamenta con estensimetri

Per il progetto Disstinct è stata realizzata un’analisi approfondita (comprese prove sismiche) del fondo dello IJsselmeer sotto il parco eolico di Westermeerwind. Le fondamenta in acciaio sono state progettate secondo le indicazioni di queste prove.

Le monotorri hanno un diametro di cinque metri, pesano più di duecento tonnellate e toccano il fondo marino a una profondità di circa 25 metri. Per realizzare l’esperimento, su uno dei pilastri delle fondamenta è stata installata un’apparecchiatura di misura. Sul pilastro sono stati disposti gli anelli di quattro estensimetri su sette livelli nella parte interna, in modo tale da poter misurare l’allungamento dell’acciaio.

Il numero di anelli così elevato è stato scelto appositamente per assicurarsi che gli estensimetri forniscano le informazioni desiderate anche nel caso in cui uno o più anelli non dovessero funzionare.

“L’installazione dei sensori è stata complicata” spiega Marc van den Biggelaar, uno degli ingegneri certificati per l’applicazione dei sensori di HBM, Europa Nord-occidentale, società che partecipa al progetto. “Un pilastro delle fondamenta ha un diametro di circa cinque metri, quindi abbiamo dovuto lavorare con una piccola piattaforma aerea che potesse passarci attraverso. I tecnici indossavano le attrezzature di protezione previste dai regolamenti di salute e sicurezza e utilizzavano apparecchi speciali a bassa tensione. È stato necessario prevedere la messa a terra del pilastro in acciaio in quanto si tratta di una struttura conduttiva".

"Un estensimetro può essere fissato in due modi diversi: tramite incollaggio o saldatura a punti. Dal momento che la monotorre era già stata certificata, per questo progetto l’unica opzione possibile era l’incollaggio”.

Monotorre con strumentazione
Installazione degli estensimetri HBM
Operazioni di installazione HBM

Realizzazione del progetto

Gli estensimetri vengono fissati tramite incollaggio da molti anni, utilizzando tipi di collante particolari e tecniche di incollaggio speciali, che variano a seconda del materiale, dell’applicazione, dell’intervallo di temperatura e delle condizioni ambientali. Per il progetto Disstinct, nel quale gli estensimetri erano installati sott’acqua e sul fondo marino, abbiamo utilizzato un tipo di collante e di mezzo di copertura speciali per renderli impermeabili.

Secondo Van den Biggelaar, gli ingegneri HBM della Scandinavia usano spesso questa tecnica, quindi per il progetto è stato convocato un team di specialisti proveniente dalla Norvegia.

“Durante i lavori, le condizioni ambientali non erano ideali, per cui è stato necessario pre-riscaldare la monotorre per poter far agire il collante e il mezzo di copertura in modo adeguato. È stato inoltre necessario utilizzare cavi di collegamento speciali impermeabili. Per offrire ulteriore protezione, sono stati inseriti in un condotto di cavi installato da terzi e fissati tramite incollaggio alla monotorre. Un’ulteriore conseguenza interessante e non prevista è stato il fatto che gli estensimetri installati ci hanno permesso di monitorare il comportamento del pilastro delle fondamenta durante il posizionamento. L’ottanta per cento degli estensimetri è sopravvissuto al posizionamento del pilastro; una percentuale decisamente superiore a quella prevista. Gli estensimetri forniranno molti più dati nei prossimi anni; in Norvegia abbiamo progetti di misurazione simili che sono attivi dal 2003”.

Estensimetro fissato tramite incollaggio
Gli estensimetri dopo l’installazione sulla monotorre
Estensimetro installato
Shaker della monotorre

Shaker

 

Dopo aver posizionato la monotorre sul fondo del mare, abbiamo fissato uno shaker alla stessa. Si tratta di un martello pneumatico con azionamento idraulico che provoca volontariamente un disequilibrio della massa per simulare le forze dalla torre e dal rotore, fornendo quindi un’idea del loro effetto sulle fondamenta. IHC ha testato e tarato lo shaker preventivamente su un pavimento in cemento rinforzato presso WMC a Wieringerwerf. I punti degli estensimetri nella monotorre sono stati collegati al sistema di acquisizione dati MGC Plus di HBM tramite dei cavi impermeabili speciali. Al sistema di acquisizione dati sono stati collegati anche degli inclinometri e degli accelerometri. Il sistema è stato installato su una nave da lavoro ancorata nei pressi delle fondamenta. Il test con lo shaker è durato tre giorni.

Dopo il test con lo shaker, l’armadio di misurazione contenente il sistema HBM e il software catman® è stato posizionato in modo permanente nella turbina eolica per garantire un monitoraggio continuo per i prossimi anni. L’armadio è dotato di un PC di livello industriale e di un alimentatore di emergenza, in modo tale che i dati non vengano persi in caso di interruzione della corrente elettrica. Sono stati aggiunti altri punti di misura con estensimetri, con un anello di quattro punti di misura a un’altezza di 37 metri nella torre. Siemens ha collegato il PC alla sua rete interna, in modo tale da poter raccogliere i dati da remoto.

Risultati

Armadio di misurazione con sistema DAQ di HBM

 

Intuire il comportamento del fondo marino utilizzando tutti i dati una turbina eolica completa è in genere complicato, ma non è stato necessario in questo esperimento con le fondamenta. L’esperimento ci ha fornito un set di dati molto interessante" afferma Bongers.

Secondo Bongers, ancora in fase di analisi, si è potuti giungere alla conclusione che le ipotesi fossero corrette. Il suolo si comportava in maniera più rigida del previsto e con un’analisi del suolo ad hoc è stato possibile avvicinarsi alla rigidezza richiesta con fattore pari a 4 o 5. In alcuni casi, ciò significava che erano sufficienti fondamenta più leggere ed è quindi stato possibile ridurre i costi di conseguenza. 

"Siamo molto contenti di avere avuto la possibilità di realizzare questo esperimento” conclude Bongers. "Tutte le parti coinvolte hanno messo da parte i propri interessi personali, nonostante la pressione dei tempi, il costo e i rischi, il che è davvero encomiabile. I risultati della ricerca, che gli scienziati utilizzeranno come tesi quest’anno, potranno essere molto utili per lo sviluppo dei parchi eolici in futuro.

Intendiamo utilizzare tutti questi dati per sviluppare un modello di progettazione che possa essere certificato da DNV-GL e, di conseguenza, diventare una sorta di standard di riferimento per la progettazione delle turbine eoliche offshore.

Come conseguenza, in futuro verranno effettuate analisi del suolo più approfondite presso i punti di installazione delle turbine eoliche. Si tratta solamente di un piccolo investimento aggiuntivo, che potrà però essere recuperato velocemente poiché le fondamenta e gli alberi saranno più leggeri e quindi meno costosi”.