Supporti galleggianti di nuova concezione per turbine eoliche offshore

Risultato della ricerca:

Lo sviluppo industriale di turbine eoliche offshore su supporti galleggianti avrà un ruolo chiave nella transizione verso fonti di energia rinnovabile, poiché consentirà di installare parchi eolici a grandi profondità con enormi superfici a disposizione e venti forti e costanti.

La realizzazione di turbine eoliche galleggianti pone molte sfide tecnologiche. Tra queste, ridurre le vibrazioni degli elementi strutturali, cioè supporto galleggiante e torre, e le oscillazioni globali di moto rigido, causate da vento e onde. Ridurre vibrazioni e oscillazioni è cruciale per migliorare produzione di energia e comportamento a fatica del sistema.

I proponenti hanno ideato un nuovo concetto di turbina eolica galleggiante con elevate proprietà di mitigazione delle vibrazioni/oscillazioni.

L’idea chiave è utilizzare elementi strutturali localmente risonanti per ridurre le vibrazioni del supporto galleggiante e della torre; inoltre, si applicano dispositivi a massa accordata in posizioni opportune del sistema per ridurre le oscillazioni globali di moto rigido.

Gli elementi strutturali localmente risonanti sono ispirati al concetto di metamateriale, cioè un materiale arricchito con una distribuzione periodica di risonatori, in grado di attenuare la propagazione di onde elastiche su ampi intervalli di frequenza (band gaps). Nel progetto che si propone, gli elementi strutturali localmente risonanti sono costituiti da cilindri in acciaio cavi, con superficie interna rivestita da una griglia metallica ai cui nodi sono collegati risonatori di piccole dimensioni, calibrati per ridurre la propagazione delle vibrazioni flessionali su ampi intervalli di frequenza.

Si vogliono realizzare tre tipi di supporto galleggiante: “spar”, “3-spar” e “semi-submersible”; si tratta di sistemi costituiti da uno o più cilindri in acciaio, connessi da strutture reticolari. I dispositivi a massa accordata sono costituiti da sistemi massa-molla con più gradi di libertà, calibrati per ridurre le oscillazioni globali di moto rigido su più frequenze.

Si intende verificare sperimentalmente le idee proposte su modelli in scala 1:30, presso il laboratorio NOEL (Natural Ocean Engineering Laboratory) dell’Università “Mediterranea” di Reggio Calabria.

Il NOEL consente di effettuare prove in acqua di mare e quindi sotto l’azione di onde e vento naturali. I modelli riprodurranno gli elementi strutturali localmente risonanti e i dispositivi a massa accordata; il rotore sarà realizzato in modo semplificato e a pale fisse. Si svilupperà un modello computazionale ad hoc per gli elementi strutturali localmente risonanti, usando tecniche di omogeneizzazione dinamica.

Il progetto vuole verificare la validità delle idee proposte e studiarne la fattibilità dal punto di vista tecnologico. Le prove sperimentali presso il NOEL forniranno dati per ottimizzare il processo produttivo dei vari componenti del sistema considerando, tra gli altri, gli effetti della corrosione in ambiente marino.

Il progetto si colloca nel settore “Ambiente e Rischi Naturali” ed è in linea con gli obiettivi della seguente “Traiettoria Tecnologica e di Sviluppo”: Nuove tecnologie energetiche e riutilizzo di scarti e rifiuti per ridurre l’impatto ambientale – nuove tecnologie energetiche per la produzione di energia da fonti rinnovabili.

Il progetto intende realizzare un nuovo concetto di turbina eolica galleggiante. Il tema è di interesse poiché i parchi eolici galleggianti potranno essere installati in acque profonde, con il vantaggio di enormi superfici disponibili, venti stabili e forti, impatto visivo limitato. Poiché vibrazioni e oscillazioni influiscono notevolmente su produzione di energia e vita a fatica dei componenti strutturali del sistema, il concetto di turbina eolica galleggiante proposto nel progetto, con elevate proprietà di mitigazione delle vibrazioni/oscillazioni, può porre la Regione Calabria all’avanguardia nella transizione verso le fonti di energia rinnovabile.

Riferimento a finanziamenti precedenti:

La modellazione teorica e numerica di elementi strutturali localmente risonanti per turbine eoliche galleggianti è già oggetto di ricerca da parte dei proponenti, nell’ambito del progetto PON “AIM1805501- 2” finanziato nel 2019.

Il progetto qui proposto vuole valorizzare la ricerca teorica e numerica già in atto coinvolgendo partner industriali, assolutamente indispensabili per realizzare prototipi di elementi strutturali localmente risonanti e verificarne la possibile industrializzazione, finalizzata allo sviluppo di una nuova generazione di supporti galleggianti per turbine eoliche.

Nell’ambito più generale della ricerca su piattaforme galleggianti tradizionali per lo sfruttamento di energia dal moto ondoso (wave energy converters), membri del gruppo proponente partecipano al seguente progetto di ricerca europeo Horizon 2020:

2018 – (40 mesi): “The Blue Growth Farm”. Call: H2020-BG-2017-1. GA: 774426. EU contribution: 7.602.873,00 €

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

L’approccio tradizionale per la mitigazione delle vibrazioni/oscillazioni in turbine eoliche galleggianti prevede l’utilizzo di dispositivi a massa accordata posizionati nella navicella o nella struttura di supporto. L’efficacia di tali dispositivi è tuttora oggetto di studio.

I proponenti perseguono l’obiettivo innovativo di realizzare supporti galleggianti per turbine eoliche utilizzando elementi strutturali localmente risonanti, con proprietà di attenuazione delle onde elastiche e vibrazioni ad esse associate su ampi intervalli di frequenza. È importante sottolineare due aspetti:

1) applicazioni di elementi strutturali localmente risonanti in supporti galleggianti per turbine eoliche non sono state proposte finora;

2) il concetto di elemento strutturale localmente risonante risulta ancora raramente sviluppato fino allo stadio sperimentale.

Nel progetto proposto, gli elementi strutturali localmente risonanti hanno proprietà intrinseche di mitigazione delle vibrazioni; inoltre, si applicano dispositivi a massa accordata in posizioni opportune del sistema, per la riduzione delle oscillazioni globali di moto rigido.

Le prove numeriche fin qui effettuate dai proponenti evidenziano che questa strategia riduce in modo significativo le vibrazioni/oscillazioni del sistema rispetto all’approccio tradizionale che, come detto, consiste nel solo utilizzo di dispositivi a massa accordata in navicella o struttura di supporto.

Un altro aspetto innovativo del progetto riguarda le modalità di sperimentazione. Si vogliono testare tre prototipi in scala 1:30 di supporti galleggianti presso il laboratorio NOEL dell’Università “Mediterranea” Reggio Calabria, in acqua di mare sotto l’azione di onde e vento naturali. Ciò rappresenta un’importante novità, considerato che prove sperimentali su supporti galleggianti vengono solitamente condotte a scale più piccole, in vasche con vento e onde artificiali.

Titoli di proprietà intellettuale:

Al momento la ricerca non è oggetto di privative industriali.

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

Il progetto che si propone è finalizzato allo sviluppo di un nuovo concetto di turbina eolica galleggiante con elevate proprietà di mitigazione delle vibrazioni/oscillazioni, basato sull’uso di elementi strutturali localmente risonanti per ridurre le vibrazioni del supporto galleggiante e della torre, in combinazione con dispositivi a massa accordata in posizioni opportune del sistema per ridurre le oscillazioni di moto rigido.

Le turbine eoliche galleggianti rappresentano, ad oggi, una delle più promettenti e potenzialmente remunerative tecnologie di produzione di energie eolica in mare e assumono un ruolo certamente fondamentale nel processo di transizione verso le fonti di energia rinnovabili.

Il progetto intende contribuire alla ricerca in questo settore proponendo una soluzione innovativa per la mitigazione delle vibrazioni/oscillazioni del sistema, allo scopo di migliorare produzione di energia e comportamento a fatica dei componenti strutturali; tali aspetti sono certamente fondamentali per promuovere la realizzazione di parchi eolici galleggianti su larga scala economicamente sostenibili e remunerativi.

Si ritiene inoltre che gli elementi strutturali localmente risonanti proposti nel progetto, costituiti da cilindri in acciaio cavi, con superficie interna rivestita da una griglia metallica ai cui nodi sono collegati risonatori di piccole dimensioni, potranno essere applicati non solo nel campo dell’ingegneria delle turbine eoliche offshore ma, più in generale, in altri settori dell’ingegneria strutturale, aerospaziale e meccanica.

In tutti questi settori, infatti, il controllo delle vibrazioni assume un ruolo fondamentale per garantire sicurezza e durabilità dei componenti, contenere i costi di produzione e manutenzione.

Il mercato di riferimento del progetto è la produzione di energia eolica. Esistono prototipi dimostrativi di 4 turbine eoliche galleggianti in Norvegia dal 2009, in Portogallo dal 2011 e in Francia dal 2018; inoltre, un primo parco eolico galleggiante con 5 turbine eoliche è stato installato al largo della costa scozzese nel 2017 e alimenta già circa 20.000 abitazioni. Progetti dimostrativi sono in programma in tutto il mondo.

Le turbine eoliche galleggianti potranno consentire la produzione di energia eolica in acque profonde, dove sono disponibili vaste aree ad elevate risorse eoliche e limitato impatto visivo.

Secondo Wind Europe, un’organizzazione internazionale che raggruppa i produttori di turbine eoliche, fornitori di componenti, istituti di ricerca, associazioni nazionali del vento e delle energie rinnovabili, finanza e compagnie assicurative, le turbine eoliche galleggianti potrebbero sfruttare l’80% delle risorse eoliche offshore in Europa, corrispondente al potenziale eccezionalmente elevato di 4.000 GW; potrebbero fornire 2.450 GW negli Stati Uniti e 500 GW in e Giappone. Tuttavia, la tecnologia delle turbine eoliche galleggianti deve affrontare la sfida di ridurre i costi in modo da attrarre maggiori investimenti industriali.

Il progetto vuole contribuire allo sviluppo industriale di questa tecnologia riducendo le vibrazioni/oscillazioni del sistema e incrementando, in tal modo, produzione di energia, vita a fatica e protezione dei componenti strutturali da eventi estremi, con conseguenti benefici economici in termini di maggiore energia, durata estesa del sistema, ridotti costi di manutenzione e riparazione. Ulteriori e considerevoli benefici del progetto verranno dallo sviluppo di componenti innovativi a risonanza locale con potenziali utilizzi in vari settori dell’ingegneria strutturale, aerospaziale e meccanica.

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

I proponenti hanno già installato presso il laboratorio NOEL dell’Università “Mediterranea” di Reggio Calabria un modello in scala 1:30 di un supporto galleggiante di tipo “spar” per turbina da 5MW. Il modello è in acciaio, ancorato a 10 m di profondità. È stata effettuata una vasta campagna di prove sperimentali che ha confermato la corrispondenza del modello con il supporto in scala reale, con risultati pubblicati su riviste internazionali.

Lo stadio di sviluppo da parte dei proponenti si può quindi considerare TRL4 (technology validated in lab). Il modello di tipo “spar” presso il NOEL non ha dispositivi di controllo delle vibrazioni/oscillazioni. I proponenti intendono realizzare tre nuovi supporti galleggianti, di tipo “spar”, “3-spar” e “semisubmersible”, con elementi strutturali localmente risonanti e dispositivi a massa accordata per il controllo di vibrazioni/oscillazioni. La modellazione teorica e numerica degli elementi strutturali localmente risonanti è già in corso.

In particolare, dal 2019 i proponenti stanno sviluppando la modellazione teorica e numerica di elementi strutturali localmente risonanti per turbine eoliche galleggianti, nell’ambito del progetto “AIM1805501-2” finanziato con fondi PON “Ricerca e Innovazione” 2014-2020. I risultati ottenuti finora suggeriscono che le soluzioni proposte sono in grado di generare i risultati attesi in termini di mitigazione delle vibrazioni.

Con il progetto qui proposto, si affronteranno le fasi successive alla modellazione teorica/numerica degli elementi strutturali localmente risonanti per turbine eoliche galleggianti e, in particolare:

a) la verifica sperimentale delle loro proprietà di mitigazione delle vibrazioni;

b) la valutazione dei vari aspetti tecnologici relativi alla loro produzione industriale.

In questo contesto, si vogliono individuare le tecnologie di produzione più idonee e valutare i relativi costi di realizzazione, allo scopo di porre le basi, a fronte di riscontri positivi, per una produzione in serie.

Verifica sperimentale e valutazione degli aspetti tecnologici relativi al processo produttivo degli elementi strutturali localmente risonanti sono aspetti fondamentali per convalidare e promuovere, su scala industriale, il nuovo concetto di turbina eolica galleggiante ideato dai proponenti, con elevate proprietà di mitigazione delle vibrazioni/oscillazioni.

Il concetto include l’uso di dispositivi a massa accordata in posizioni opportune del sistema per il controllo delle oscillazioni globali di moto rigido; il progetto qui proposto offrirà l’opportunità di verificare sperimentalmente la loro efficacia e affrontare gli aspetti tecnologici relativi alla loro realizzazione su scala industriale.

Come detto, al fine di convalidare il concetto di turbina eolica galleggiante ad elevate proprietà di mitigazione delle vibrazioni/oscillazioni ideato dai proponenti, si realizzeranno tre supporti galleggianti di tipo “spar”, “3-spar” e “semi-submersible”, in scala 1:30.

Lo “spar” è costituito da un tubo cilindrico in acciaio, il “3-spar” ed il “semi-submersible” da tre tubi cilindrici in acciaio connessi da strutture reticolari, anch’esse in acciaio. Il “3-spar” ed il “semi-submersible” differiscono per geometria e principio di galleggiamento. Su ciascuno dei tre supporti sarà montata una torre, costituita da un tubo cilindrico in acciaio, sormontata da un modello semplificato di rotore a pale fisse. Supporti e torre saranno elementi localmente risonanti: in particolare, la superficie interna sarà rivestita da una griglia metallica ai cui nodi saranno posti risonatori di piccole dimensioni, calibrati per ridurre la propagazione delle vibrazioni flessionali su ampi intervalli di frequenza. A tal fine, ogni risonatore sarà un sistema a più gradi di libertà, costituito da piccoli cilindri in acciaio coassiali e interconnessi da gomme ad elevate proprietà elastiche.

Infine, si applicheranno dispositivi a massa accordata costituiti da sistemi massa-molla, in posizioni opportune del sistema. I tre prototipi saranno installati presso il laboratorio NOEL dell’Università “Mediterranea” di Reggio Calabria.

Il concetto di turbina eolica galleggiante proposto sarà convalidato da analisi numeriche e sperimentali.

La collaborazione con partner industriali consentirà di affrontare gli aspetti tecnologici relativi alla produzione dei vari componenti del sistema (elementi localmente risonanti, dispositivi a massa accordata).

Presso il NOEL si acquisiranno dati sul comportamento dei componenti in mare con onde e vento naturali; tra questi, resistenza a fatica, durabilità e resistenza alla corrosione, cruciali per finalizzare il processo di industrializzazione. Il TRL finale delle attività è TRL6.