Wkręcane kotwy śrubowe umożliwią budowę pływających morskich elektrowni wiatrowych
Kiedy inżynierowie lądowi i wodni Uniwersytetu Dundee w Szkocji rozpoczęli prace poświęcone sprawdzeniu, czy morskie elektrownie wiatrowe mogą wykorzystywać wspólne kotwy, wszyscy spodziewali się, że badania skupią się przede wszystkim na optymalnych układach turbin unoszących się na powierzchniach mórz i oceanów. Wraz z postępem prac w ramach projektu SAFS okazało się jednak, że badania zaczęły skupiać się w coraz większym stopniu na bardziej podstawowych kwestiach, a naukowcy zajęli się zagadnieniem montażu kotew śrubowych, a także przewidywania ich działania oraz odporności na wyciąganie. „Najważniejszą kwestią jest zrozumienie, jak wygląda działanie kotew śrubowych w piasku”, twierdzi Jonathan Knappett, profesor inżynierii lądowej i wodnej na Uniwersytecie Dundee oraz koordynator projektu SAFS. „Jeśli chcemy osiągnąć nasze ambitne cele w zakresie wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych, musimy przenieść nasze elektrownie wiatrowe na dużo głębsze wody, gdzie zastosowanie obecnie wykorzystywanych fundamentów przestanie być opłacalne. Innymi słowy, potrzebujemy urządzeń, które będą unosiły się na wodzie”. W miarę przenoszenia elektrowni wiatrowych na coraz głębsze wody, wykorzystanie trwałych fundamentów staje się coraz bardziej skomplikowane i kosztowne. Zespół skupiony wokół projektu SAFS uważa, że wkręcane kotwy śrubowe – stalowe wały wyposażone w helikalny gwint na jednym końcu, które mogą posłużyć do zakotwiczenia pływającej turbiny wiatrowej – stanowią część rozwiązania tego problemu. „Jedną z głównych zalet tych kotew jest to, że można je instalować bez wywoływania nadmiernego hałasu oraz wstrząsów, w przeciwieństwie do pali wbijanych w dno”, twierdzi główny badacz projektu SAFS Benjamin Cerfontaine, który rozpoczął prace nad tym zagadnieniem dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”.
Montaż przyjazny dla wielorybów
Kotwy śrubowe stanowią lepsze rozwiązanie ze względu na szereg powodów. Ich montaż jest bardziej przyjazny dla morskiej fauny, natomiast helikalny gwint zapewnia wysoką siłę przyczepności i wytrzymałość, co może pozwolić na zmniejszenie masy kotwy o 35-50 % w porównaniu do konwencjonalnych pali. Dotychczas nie istniały jednak żadne sprawdzone metodologie projektowania, które pozwalały na przewidywanie ich działania w czasie instalacji oraz w całym okresie użytkowania. Z tego powodu w ramach projektu SAFS powstała procedura numeryczna, zweryfikowana na podstawie przeprowadzonych badań doświadczalnych, umożliwiająca dokładniejsze obliczenie zależności obciążenia i przesunięcia. „Takie rozwiązanie umożliwia nam ocenę wytrzymałości, a także sztywności, co jest niezwykle ważne z punktu widzenia dynamiki turbiny pływającej”, twierdzi Cerfontaine.
Praca mimo ograniczeń
Zespół zajął się następnie rozwojem uproszczonej metodologii pozwalającej na optymalizację kształtu kotew w ramach ograniczeń technicznych i strukturalnych, takich jak ograniczone rozmiary maszyny wykorzystywanej do ich montażu. „Nasi naukowcy mają możliwość przeprowadzenia ograniczonej liczby doświadczeń, natomiast inżynierowie projektujący gotowe rozwiązania będą musieli uwzględnić szereg zróżnicowanych warunków”, twierdzi Knappett. „Nasze wyniki mogą stanowić dla nich punkt wyjścia, dzięki któremu otrzymają rozmiar i kształt kotwy umieszczanej w dnie morskim, który będą mogli następnie dopracować dzięki naszej procedurze numerycznej”. W ramach przeprowadzonych prac naukowcy wykorzystali wirówkę geotechniczną w celu zbadania zachowania modeli w niewielkiej skali w warunkach zbliżonych do tych panujących na morzu. Celem tych eksperymentów była zarówno optymalizacja projektu kotew, jak również wprowadzenie zmian pozwalających na uproszczenie procesu ich montażu. Wymagania techniczne dotyczące montażu dużych kotew śrubowych w dnach mórz i oceanów wykraczają obecnie poza możliwości konwencjonalnych urządzeń wykorzystywanych do tych prac, zatem najważniejszym celem staje się ich zmniejszenie. Pomimo tego, że projekt SAFS dobiegł już końca, zespół badaczy z Uniwersytetu Dundee zdołał pozyskać dodatkowe fundusze od sponsorów przemysłowych, dzięki którym może kontynuować badania w tym kierunku. „Obecnie dążymy do wprowadzenia zmian w procesie montażu, które pozwolą na instalację kotew przy pomocy mniejszej siły”, twierdzi Knappett, który uważa, że narzędzia do modelowania pozwalające na przewidywanie tych parametrów mogą stanowić jedno z najbardziej innowacyjnych rozwiązań opracowanych w ramach projektu SAFS.
Słowa kluczowe
SAFS, kotwy śrubowe, optymalizacja projektu, morskie, elektrownia wiatrowa, turbina wiatrowa, energia fal, energia odnawialna
