Nuovi studi che sfruttano i progetti concettuali delle turbine eoliche offshore indicano come le loro trasmissioni potrebbero cambiare nel prossimo futuro per produrre più energia riducendo i costi, secondo un nuovo articolo di giornale del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e di General Electric Ricerca.
Turbine eoliche presso il parco eolico di Block Island, al largo della costa di Rhode Island. Foto di Suzanne Tegen | NREL.
“I produttori di turbine eoliche offshore spesso adottano scelte prudenti per mitigare i rischi. A nessuno piace scuotere le acque”, ha affermato Garrett Barter, che guida il programma di ricerca Wind Systems Engineering presso NREL. “Se trovano una tecnologia che funziona, continuano a usarla aumentando le dimensioni della turbina. Tuttavia, le dimensioni delle turbine eoliche sono aumentate così tanto che i produttori potrebbero dover cambiare presto le cose, e la trasmissione è una delle cose sotto esame”.
Barter è l’autore principale di un nuovo articolo, “Oltre 15 MW: una prospettiva sul costo dell’energia sulla prossima generazione di tecnologie di trasmissione per turbine eoliche offshore”, che appare nel numero di agosto della rivista Energia applicata. Lui e i suoi colleghi hanno spiegato in dettaglio come hanno progettato le turbine eoliche offshore concettuali per fornire il confronto più equo tra le tecnologie di trasmissione. Gli altri coautori di NREL sono Latha Sethuraman, Pietro Bortolotti e Jonathan Keller.
La trasmissione di una turbina eolica è composta dal riduttore e dal generatore, i componenti necessari di cui una turbina ha bisogno per produrre elettricità. Il cambio è responsabile del collegamento dell’albero a bassa velocità collegato alle pale della turbina all’albero ad alta velocità collegato al generatore. La configurazione del gruppo propulsore-generatore influisce direttamente sulle prestazioni complessive della turbina eolica, nonché sui costi. Lo scopo della ricerca era determinare quale tecnologia di trasmissione sarebbe stata la più competitiva in termini di costi con l’aumento delle dimensioni della turbina eolica e se la risposta fosse la stessa per le fondazioni a fondo fisso e galleggianti.
Le turbine eoliche sono alimentate da due tipi di trasmissioni. Uno, denominato a ingranaggi, utilizza un generatore collegato a un cambio, che può essere un componente ad alta manutenzione a causa delle sue numerose parti mobili. L’altro, a trasmissione diretta, richiede generatori più grandi, il che tradizionalmente significa magneti in terre rare più grandi che possono essere costosi. Lo studio ha preso in considerazione anche i generatori superconduttori a trasmissione diretta, che utilizzano magneti superconduttori mantenuti a temperature molto basse e non fanno affidamento su materiali di terre rare. Questa tecnologia si trova comunemente nelle macchine per la risonanza magnetica, ma non è stata ancora industrializzata per le turbine eoliche commerciali.
L’attuale parco di turbine eoliche al largo delle coste degli Stati Uniti può generare più di 40 megawatt di elettricità, ma l’obiettivo del governo federale è di aumentare significativamente tale numero, fino a 30 gigawatt entro il 2030. Un aumento così drammatico negli obiettivi di implementazione, insieme a pressioni del mercato, stanno spingendo i produttori a progettare turbine più grandi e potenti.
Secondo l’Offshore Wind Market Report, la capacità media delle turbine eoliche offshore installate nel 2021 è stata di 7,4 megawatt, e il numero tende al rialzo.
Bortolotti ha affermato che le turbine eoliche con una capacità di 15 megawatt sono in varie fasi di sviluppo, ma quelle che adottano una configurazione a trasmissione diretta richiedono generatori che “diventano molto grandi e molto pesanti molto rapidamente su queste scale estreme. Se davvero andremo oltre i 15 megawatt, un generatore a trasmissione diretta sarà un peso? Sarà un collo di bottiglia? E se è così, ci sono alternative o tecnologie là fuori che forse possiamo cambiare per facilitare questo tipo di crescita?”
Per determinare i progetti ottimali per turbine più potenti, i ricercatori hanno progettato concettualmente tre tecnologie di trasmissione a cinque diverse potenze che vanno da 15 megawatt a 25 megawatt sia per fondazioni a fondo fisso che galleggianti. L’uso del software sviluppato presso NREL chiamato Wind Plant Integrated Systems Design and Engineering Model (WISDEM) ha permesso ai ricercatori di creare 30 punti di progettazione unici.
Il progetto con il costo energetico livellato più basso (LCOE) ha accoppiato un cambio a media velocità a un generatore sincrono a magnete permanente (MS-PMSG). Si stima che il LCOE per questa tecnologia sia inferiore fino al 7% sia per i modelli a fondo fisso che per quelli flottanti rispetto a una configurazione a trasmissione diretta più comune, a condizione che il cambio non aumenti significativamente i costi di manutenzione. L’analisi presuppone che i costi di manutenzione siano identici tra le tecnologie di trasmissione-generatore e costanti tra le diverse potenze nominali, ma LCOE è piuttosto sensibile ai costi di manutenzione. Tra il PMSG e le soluzioni superconduttrici ad azionamento diretto, queste ultime hanno generato risparmi LCOE compresi tra il 2% e il 5% a seconda della classificazione. I generatori superconduttori erano più vantaggiosi nelle turbine eoliche galleggianti che in quelle a fondo fisso.
“Con questi concetti di progettazione, poiché nessuno di questi è stato effettivamente costruito, la velocità media sembra piuttosto buona dal punto di vista del costo energetico livellato”, ha affermato Barter. “Ma se cominciamo a dire bene, la velocità media potrebbe avere un costo di manutenzione più elevato rispetto a quelle a trasmissione diretta perché c’è un cambio, non sappiamo quanto sarà l’aumento dei costi di manutenzione. Dal momento che non sappiamo esattamente quale sia la differenza o quale sarà l’onere di manutenzione di un nuovo generatore superconduttore, è qui che sta l’avvertenza. I generatori superconduttori sollevano domande simili riguardo alla manutenzione e all’affidabilità, ma offrono anche un’alternativa promettente per le configurazioni a trasmissione diretta”.
Il coautore non NREL dell’articolo è David Torrey della General Electric Research. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti sta finanziando parzialmente gli sforzi dell’azienda verso lo sviluppo e la costruzione di un generatore superconduttore leggero. Per l’impiego in acque oceaniche più profonde, come in alcune aree lungo la costa atlantica e in tutta la costa del Pacifico, le turbine eoliche dovranno essere costruite su piattaforme galleggianti e quindi il peso diventa un problema.
“Per l’energia eolica offshore galleggiante, la quantità di peso che si ha in cima alla torre è davvero fondamentale da tenere il più sotto controllo possibile”, ha detto Barter. “Se potessimo sviluppare alcune di queste nuove tecnologie di generazione, forse ciò renderebbe l’energia eolica offshore galleggiante più economica”.
La ricerca è stata finanziata dall’ufficio per le tecnologie eoliche del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
Di Wayne Hicks, per gentile concessione di NREL.
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