Costruire pale migliori: i finanziamenti rinnovati supportano le innovazioni delle pale delle turbine eoliche

Ulteriori ricerche consentiranno all’NREL di promuovere la sostenibilità e l’efficienza nella produzione di pale

Il vice segretario all’energia David Turk ha visitato la struttura per la formazione e la tecnologia di produzione di compositi di NREL nel 2021 per saperne di più sulla ricerca sui compositi condotta tramite IACMI. Qui sta ispezionando una lama realizzata in resina termoplastica, che è più riciclabile dei materiali tipici delle lame. Foto di Werner Slocum, NREL

Le turbine eoliche stanno diventando più grandi, così come le pale delle turbine, che devono essere realizzate con materiali durevoli se vogliono continuare a funzionare per 20 o più anni. E alla fine del loro ciclo di vita, è essenziale che questi materiali durevoli vengano riutilizzati e non gettati in discarica.

Capire come produrre in modo efficiente ed economico pale di turbina più grandi, idealmente utilizzando materiali riciclabili, è la sfida che un gruppo di ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) sta affrontando ora.

Un nuovo ciclo di finanziamenti da parte dell’Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI) aiuterà a promuovere la loro ricerca per i prossimi cinque anni. NREL è una delle sei istituzioni che ricevono una parte di 30 milioni di dollari in finanziamenti per la ricerca da IACMI, una partnership tra l’Ufficio per i materiali avanzati e le tecnologie di produzione del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e la Fondazione per la ricerca dell’Università del Tennessee. NREL riceverà 4,1 milioni di dollari per supervisionare l’area tecnologica dell’energia eolica di IACMI, che si concentra sull’identificazione di materiali compositi innovativi e sulla razionalizzazione del processo di produzione delle pale delle turbine eoliche.

“I nostri obiettivi principali sono promuovere il progresso della tecnologia attorno a pale più lunghe e leggere in grado di catturare più energia e, quindi, ridurre il costo livellato dell’energia eolica”, ha affermato Derek Berry, ingegnere senior di tecnologia eolica presso NREL e direttore dell’IACMI. settore tecnologico dell’energia eolica.

Si tratta della seconda tornata di finanziamenti distribuiti a IACMI, sulla base dei primi 70 milioni di dollari assegnati nel 2015.

“Il nostro lavoro con IACMI ha già fatto molto per rendere riciclabili le future pale delle turbine eoliche”, ha affermato Daniel Laird, che supervisiona la ricerca come direttore del National Wind Technology Center presso NREL. “Con questo rinnovato finanziamento, NREL sarà in grado di continuare a promuovere tecnologie nuove, più efficienti e più sostenibili verso la commercializzazione”.

L’Ufficio del Colorado per lo sviluppo economico e il commercio internazionale (OEDIT) si è inoltre impegnato a stanziare 4,1 milioni di dollari in finanziamenti federali per promuovere la ricerca nei prossimi cinque anni, con l’obiettivo di sostenere la creazione di un ecosistema di posti di lavoro e industria con sede in Colorado intorno a materiali compositi, che svolgeranno un ruolo chiave nell’economia dell’energia pulita.

Creare un composito migliore

Sebbene in passato siano stati testati altri materiali per l’uso nelle pale delle turbine, l’industria è concorde sull’idea che, a causa delle loro proprietà di resistenza e leggerezza, i compositi – definiti come due o più materiali che quando combinati sono più resistenti dei singoli materiali – sono i migliori per questa applicazione.

Tradizionalmente, le lame sono state prodotte con sistemi di resina termoindurente, che spesso richiedono calore per polimerizzare il materiale composito. Il legame chimico che ne deriva deve essere sufficientemente forte da resistere ad anni di utilizzo in ambienti turbolenti.

Il risultato? Un legame che diventa molto difficile da spezzare alla fine della vita della pala della turbina – e un sacco di pale che sono difficili da riciclare.

Fortunatamente, il cambiamento sta arrivando, nel bel mezzo di un cambiamento nel sentimento pubblico riguardo alla sostenibilità e nel desiderio dei produttori di garantire che le loro tecnologie “verdi” mantengano quella promessa verde.

“Quando abbiamo iniziato la nostra collaborazione con IACMI nel 2015, ho incontrato i produttori di turbine eoliche e di pale e ho chiesto loro se la riciclabilità delle loro pale fosse una priorità”, ha affermato Berry. “Hanno detto tutti di no. Ora è in cima alla loro lista. C’è stato un cambiamento epocale nel modo in cui i produttori danno priorità alla sostenibilità”.

I ricercatori del NREL stanno ora esaminando altre opzioni per i compositi, incluso un sistema di resina termoplastica che polimerizza (o si lega) senza l’uso di calore aggiunto, rendendone potenzialmente più facile la successiva separazione e, quindi, molto più riciclabile.

Accelerare le cose

Un grande braccio robotico che spara laser su una pala di una turbina eolica appoggiata su palafitte in una struttura. Questo prototipo di braccio robotico è dotato di accessori in grado di tagliare, levigare e levigare lame. Questa foto lo mostra mentre utilizza una fotocamera per catturare le dimensioni della pala di una turbina eolica prima che inizi altri lavori. Foto di Piastra Tiffany, NREL

Un altro aspetto cruciale degli sforzi del team NREL riguarda l’esplorazione del potenziale per una maggiore automazione in varie fasi del processo di produzione delle pale delle turbine. L’approccio attuale è ad alta intensità di lavoro manuale e richiede ai lavoratori di svolgere spesso lavori difficili, a volte in quota, nella fabbrica di lame. L’automazione di alcune di queste fasi di produzione, in particolare i processi di finitura di rifilatura, molatura e levigatura, potrebbe ridurre i costi, accelerare i tempi del ciclo di produzione e produrre una qualità più costante.

“Vogliamo garantire che la qualità di ogni lama in uscita sia la migliore possibile”, ha affermato Berry, convinto che l’automazione li aiuterà a raggiungere questo obiettivo.

In passato l’automazione è stata troppo costosa e troppo lenta, ma i progressi vengono fatti poco a poco. “Solo di recente siamo stati in grado di compiere progressi significativi in ​​termini di automazione”, ha affermato Berry. “Ma c’è ancora molta ricerca da fare.”

Espansione della capacità di ricerca sulla produzione di NREL

La prima tornata di finanziamenti da parte dell’IACMI ha dato il via alla ricerca non solo sull’automazione ma anche su altri settori della produzione. Berry ha affermato che il finanziamento, insieme al sostegno di NREL e OEDIT del Colorado, è stato fondamentale per sostenere ed espandere le capacità della struttura Composites Manufacturing Education and Technology (CoMET) di NREL.

“Tutto ciò che vedi in CoMET è stato catalizzato dai nostri finanziamenti IACMI”, ha affermato Berry. “Per i primi anni, la maggior parte del lavoro svolto nell’edificio riguardava progetti IACMI. Ora è stato ampliato per incorporare anche l’energia idrica e altri progetti di produzione”.

3 marzo 2020 – I ricercatori NREL Robynne Murray e David Barnes posano una pala di turbina in uno stampo per pale presso il CoMET presso il Flatirons Campus. Il lavoro fa parte del Verdant Power Project svolto nel campus di Flatirons. (Foto di Dennis Schroeder/NREL)

CoMET, un lungo edificio tipo capanna Quonset che si trova nel vasto Flatirons Campus della NREL, appena fuori Boulder, in Colorado, è pieno di campioni di compositi, macchinari e, ovviamente, pale di turbine.

Sin dal suo finanziamento iniziale nel 2015, CoMET è diventato un centro di partnership poiché i ricercatori del settore lavorano a fianco dei ricercatori NREL per ampliare i loro prototipi, convalidandoli e perfezionandoli lungo il percorso. Dopo aver sviluppato con successo la nuova tecnologia al CoMET, i ricercatori NREL spesso tornano presso la struttura del partner industriale per lavorare con loro mentre trasformano prototipi di produzione e materiali innovativi in ​​processi su vasta scala e pale di turbina.

“Uno degli aspetti più importanti del CoMET sono i partenariati pubblico-privato che facilita”, ha affermato Berry. Attraverso questi rapporti di collaborazione, ha affermato, “stiamo riducendo i rischi legati all’uso di materiali e processi di produzione avanzati e fornendo un percorso davvero importante verso la commercializzazione”.

Prossimi passi

Non appena i nuovi finanziamenti saranno disponibili, Berry e il suo team stanno lavorando per identificare quali progetti di ricerca siano più preziosi per l’industria dell’energia eolica statunitense. Non importa dove si concentreranno i nuovi progetti, la qualità delle pale eoliche sarà sempre una priorità.

La qualità, ha affermato Berry, è fondamentale per ridurre i costi, perché pale di turbine più resilienti richiedono naturalmente meno operazioni e lavori di manutenzione (ovvero, meno tempo trascorso a monitorare e riparare le pale sul campo).

Ciò è particolarmente importante in quanto il Paese si sta muovendo per implementare sempre più turbine eoliche offshore, che richiedono barche, chiatte e gru per gli addetti alla manutenzione per riparare le loro enormi pale. Di conseguenza, parte dell’attenzione per la prossima iterazione della ricerca IACMI sarà quella di garantire che la ricerca NREL si traduca anche in applicazioni offshore.

In definitiva, il ruolo di NREL in IACMI è quello di contribuire ad accelerare la diffusione dell’energia eolica ovunque, ottimizzando la produzione delle turbine necessarie per realizzarla. “Tutto si riduce alla riduzione del costo livellato dell’energia eolica”, ha affermato Berry.

Ulteriori informazioni sugli NREL ricerca sulla produzione delle pale di turbina E ricerca sull’energia eolica, nonché opportunità di partnership con NREL attraverso CoMET.

Di Tiffany Plate, articolo per gentile concessione di NREL.

Immagine in primo piano: Fonte: ShellASP/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0