Strain Gages da HBM Medem as Cargas nas Fundações de Turbinas Eólicas Offshore

Os strain gages e equipamentos de aquisição de dados da HBM foram usados em uma experiência única realizada no parque eólico de Westermeerwind na Holanda para analisar o efeito das ondas do mar nas cargas em turbinas eólicas.

Para tornar a energia eólica mais atraente que a energia de combustíveis fósseis e também como resultado do efeito da concorrência, os fornecedores estão buscando novas maneiras de fornecer os megawatts necessários de forma mais econômica possível na construção de parque eólicos offshore. Inúmeras inovações técnicas nas áreas da torre, das turbinas e dos rotores foram introduzidas nos últimos anos para conseguir isso. A Siemens Windpower iniciou um projeto para obter mais informações sobre a interação entre as ondas do mar e as fundações das turbinas eólicas.

Os strain gages e os equipamentos de aquisição de dados da HBM foram usados em uma experiência única realizada no parque eólico de Westermeerwind na Holanda para analisar o efeito das ondas do mar nas cargas em turbinas eólicas. A meta era obter parâmetros confiáveis para um processo de projeto padronizado para as fundações das turbinas eólicas.

A Siemens Windpower é uma nova empresa independente da Siemens AG, combinando um número de áreas existentes e aquisições da Siemens que trabalham com energia eólica. A Siemens Windpower B.V., na Holanda, transformou-se em uma empresa com cerca de 120 funcionários. Ela realiza manutenção de parques eólicos existentes e também cuida da engenharia e gerenciamento de projetos para a construção de novos parques eólicos.

Graças à sua parceria com a TU Delft, a Siemens Windpower da Holanda foi gradualmente se tornando um Centro de Competência para o desenvolvimento e construção de turbinas eólicas. A ênfase é no cálculo de cargas e nos projetos de torres e fundações. Pesquisas de desenvolvimento e fabricação de turbinas são realizadas, principalmente, pelas filiais dinamarquesas da empresa.

Concorrência, inovação e pressão sobre os preços

“A energia eólica tornou-se extremamente popular em todo o mundo nas últimas décadas”, explica Jeroen Bongers, da Siemens Windpower, Holanda. “Muitas turbinas e parque eólicos foram construídos na Holanda nos últimos 25 anos. Mais de 5% da energia gerada atualmente na Holanda vem de turbinas eólicas e, embora o país ainda esteja muito atrasado em termos internacionais, estamos no caminho certo. A energia eólica foi destaque no Acordo de Energia em 2015. Um total de cerca de 4.500 megawatts serão instalados na costa da Holanda em Borssele e em IJmuiden nos próximos anos”.

Segundo Bongers, uma desvantagem do rápido crescimento é a crescente concorrência.

“Mais e mais consórcios estão oferecendo novas propostas, o que significa que os preços estão sob pressão. Isso é bom para o governo em todas as situações. Há alguns anos, assumimos um preço de 100€ por megawatt em 2020, mas já caiu para 73€. A Vattenfall desenvolveu um novo parque eólico na Dinamarca com um preço de custo menor que 50€ por megawatt. O principal consórcio Kennis en Innovatie Wind op Zee (TKI-WoZ) calculou que uma redução de preço de 46% comparado com nível de preço em 2010 é alcançável até 2020, o que tornaria a energia eólica uma fonte competitiva de energia, para a qual os subsídios não seriam mais necessários”. A concorrência e a pressão por preços representam um desafio considerável para as empresas reduzirem o custo das turbinas e parques eólicos, razão pela qual uma grande pesquisa está sendo realizada. Isso já fez com que o fornecimento de energia das turbinas eólicas tenha dobrado de 3,6MW para 8MW em apenas cinco anos. Sobre isso, Bongers diz:

“O preço de um parque eólico com um fornecimento de 100MW, que consiste de 13 turbinas eólicas de 8MW cada é muito mais atrativo do que 25 turbinas eólicas que produzem 4MW cada”.

O projeto Disstinct

A Siemens Windpower também está intensamente envolvida na pesquisa de novas tecnologias e métodos de construção de turbinas eólicas. O projeto Disstinct, que estuda a interação entre as ondas do mar e as fundações das turbinas eólicas, começou em 2014.

“Disstinct” significa Interação Dinâmica da Estrutura no Solo (Dynamic Soil Structure Interaction). Além da Siemens e da TU Delft, empresas como a Fugro, Van Oord e DNV-GL também estão envolvidas no projeto.

“Como você pode imaginar, as fundações das turbinas eólicas são extremamente importantes. O rotor impõe enormes forças na torre. No caso de turbinas eólicas offshore, o impacto das ondas, em particular, também influencia, junto com o vento”, diz Bongers, líder do projeto Disstinct.

“A frequência de vibração natural da instalação têm influência quando se projeta uma estrutura de apoio, pois determina as cargas que ela pode suportar.

A correta previsão desta frequência é muito importante, mas o principal fator de incerteza é a interação entre a estrutura e a onda do mar.

A rigidez do solo é, geralmente, subestimada no caso das estruturas atuais, com o resultado que as estruturas são calculadas de maneira conservadora, fundações mais fortes são projetadas e mais aço é usado. A consequência lógica é que o preço da turbina eólica aumenta, o que é uma ocorrência indesejável em um mercado altamente competitivo que está sujeito a uma alta pressão nos preços.”

Experimento na IJsselmeer

“Conhecemos muito a respeito de forças estáticas e dinâmicas em turbinas eólicas, mas nem tanto a respeito do efeito das ondas do mar”, explica Bongers. “Nossa pesquisa foi direcionada principalmente sobre o papel do leito do mar. Em termos gerais, um piso mais rígido absorve cargas mais facilmente.

A condição do solo submarino é, portanto, um ponto de partida importante quando se projeta turbinas eólicas, e uma extensa pesquisa de solos produz melhores parâmetros para a concepção das fundações.

Queremos mapear e validar esta relação no projeto Disstinct, não apenas usando modelos de computador, mas também na prática, e é isso que fizemos quando construímos o parque eólico Westermeerwind.”

Este parque eólico encontra-se em IJsselmeer, ao longo da costa nordeste dos diques, ao norte da cidade de Urk. Ele gera 144MW, o que é suficiente para fornecer energia para 160.000 famílias. As 48 turbinas eólicas da Siemens estão dispostas em duas fileiras e são espaçadas entre 400 a 500 metros de distância. Possuem 95 metros de altura e os rotores possuem 108 metros de diâmetro. O local aonde se encontram possui uma profundidade entre 4 a 7 metros.

A Siemens foi o empreiteiro para o parque eólico, que foi construído junto com a Van Oord, BM4Wind e a VMBS, em um contrato da Westermeer Wind B.V. O parque eólico foi oficialmente solicitado pelo Ministro Kamp de Assuntos Econômicos, em 21 de Junho de 2016.

Fundações com strain gages

Foi realizado um exame completo, incluindo testes sísmicos, do fundo do mar sob o parque eólico de Westermeerwind, em IJsselmeer, para o projeto Disstinct. As fundações em aço foram projetadas com bases nestes testes.

As monoestacas possuem cinco metros de diâmetro, pesando mais de duzentas toneladas e estão a aproximadamente 25 metros de profundidade do leito do mar. Uma das estacas da fundação foi instrumentada com equipamentos de medição para o propósito do experimento. A estaca foi equipada com anéis de quatro strain gages em sete níveis em seu lado interno, para que a expansão do aço pudesse ser medida.

O número alto de anéis foi escolhido para se ter certeza de que os strain gages pudessem fornecer as informações desejadas, mesmo se um ou mais anéis não funcionassem.

“A instalação dos sensores foi uma operação complicada”, explica Marc van den Biggelaar, um dos engenheiros certificados de instalação de strain gages da HBM, no noroeste europeu, que está envolvido no projeto. “Uma estaca de fundação possui aproximadamente cinco metros de diâmetro, então tivemos que trabalhar com uma pequena plataforma suspensa. Os técnicos usaram equipamentos de proteção, de acordo com a legislação trabalhista, como também equipamentos especiais de baixa voltagem. A estaca de aço teve que ser aterrada porque é uma estrutura condutora”.

“Existem duas formas de fixar os strain gages: por colagem ou soldagem por ponto. A colagem acabou sendo a única opção para este projeto, pois a monoestaca já havia sido certificada”.

Realização do Projeto

Os strain gages são colados nos locais de medição há anos, usando tipos específicos de cola e técnicas específicas de colagem, dependendo do material, da aplicação, da faixa de temperatura e das condições ambientais. Para o projeto Disstinct, no qual os strain gages estavam submersos e mesmo no leito do mar, foi usado um tipo de cola e um revestimento especial para mantê-los a prova d’água.

De acordo com Van den Biggelaar, os engenheiros da HBM da Escandinávia têm usado frequentemente esta técnica, então faz todo o sentido levar uma equipe especializada da Noruega para o projeto.

“As condições ambientais não eram ideais durante o trabalho, o que significa que a monoestaca teve que ser pré-aquecida para que a cola e o revestimento fossem adequados. Os cabos de conexão também tinha que ser de um tipo especial à prova d’água. Para fornecer proteção adicional, eles foram colocados em um duto que foi instalado por um terceiro e também foi colado na monoestaca. Uma consequência adicional não planejada foi que os strain gages instalados nos permitiram controlar o comportamento da estaca de fundação enquanto ela estava sendo construída. Oitenta por cento dos strain gages sobreviveram à construção da estaca, o que foi maior o que esperávamos. Os strain gages fornecerão muito mais dados nos próximos anos. Na Noruega, temos projetos de medição similares que operam desde 2003”.

Shaker

Um shaker foi fixado na monoestaca após ela ter sido levada para o leito do mar. É um tipo de plataforma hidráulica vibratória que intencionalmente causa um desequilíbrio no material com a intenção de simular as forças da torre e do rotor, dando assim a ideia de seus efeitos nas fundações. A IHC testou e calibrou o shaker com antecedência em um piso de concreto reforçado na WMC em Wieringerwerf. Os pontos de strain gage na monoestaca foram conectados ao sistema de aquisição de dados daMGCplus da HBM usando cabos especiais à prova d’água. Inclinômetros e acelerômetros também foram conectados ao DAQ, que foi instalado em um navio que estava ancorado próximo às fundações. O teste com o shaker durou três dias.

Após o teste com o shaker, o rack de medição contendo o sistema HBM e o software catman® foi conectado na turbina eólica para monitorar de forma contínua pelos próximos anos. O rack é equipado com um PC industrial e uma fonte de alimentação de emergência para que os dados não sejam perdidos em uma eventual falta de energia. Mais pontos de medição com strain gages foram adicionados aos pontos existentes de medição, com um anel de quatro pontos de medição a uma altura de 37 metros na torre. A Siemens conectou o PC à sua rede interna, então os dados podem ser adquiridos remotamente.

 

Resultados

 

"Analisar o comportamento do leito do mar usando todos os dados de uma turbina eólica é incomum, mas isso foi necessário nesta experiência com as fundações. O experimento nos deu um conjunto bem interessante de dados”, diz Bongers.

Na opinião de Bongers, ainda que eles estivessem ocupados com as análises, puderam concluir que sua hipótese estava correta. O solo se mostrou mais rígido que o esperado e com uma pesquisa adequada, uma parte se mostrou próxima da rigidez necessária a um fator de 4 ou 5. Isso significa que, em alguns casos, fundações mais leves são suficientes e os custos são reduzidos significativamente.

“Estamos muito satisfeitos que tivemos a oportunidade de realizar este experimento”, conclui Bongers. “Todas as partes envolvidas deixaram de lado seus próprios interesses, apesar da pressão do tempo, do custo e do risco, o que é realmente louvável. Os resultados do estudo, que os cientistas usarão em suas teses este ano, podem ser de grande benefício para o desenvolvimento de futuros parques eólicos.

Queremos usar estes dados para desenvolver um modelo que possa ser certificado pela DNV-GL e assim, se tornar um tipo de padrão ou referência para projetos de turbinas eólicas offshore.

A consequência será que pesquisas mais amplas sobre o solo serão realizadas no futuro nos locais das turbinas eólicas do que atualmente. Este é apenas um pequeno investimento adicional, mas pode ser recuperado rapidamente porque as fundações e as torres serão mais leves e, portanto, mais baratas”.

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