Mantenere in salute le turbine eoliche utilizzando sensori a basso costo
Nell’ambito dei suoi tentativi a tutto campo volti a ridurre le emissioni di carbonio e a fermare i cambiamenti climatici, l’UE sta cercando alternative alla produzione di energia basata sui combustibili fossili. L’energia rinnovabile, soprattutto quella eolica, è una delle soluzioni sostenibili prescelte. La produzione di energia eolica rappresenta quasi la metà della capacità mondiale di generazione di fonti energetiche rinnovabili. Questa energia è allo stesso tempo pulita e sostenibile, ma alcuni dei difetti delle turbine eoliche sono la vita relativamente breve e gli elevati costi di esercizio e manutenzione. «Poiché molte turbine eoliche stanno raggiungendo la fine della loro vita utile, le parti interessate e i responsabili politici stanno comprendendo che è necessario stabilire metodi affidabili di valutazione del ciclo di vita», afferma Eleni Chatzi, presidentessa della cattedra di Meccanica strutturale e monitoraggio presso il Politecnico federale di Zurigo. «Sfortunatamente, poiché gli strumenti esistenti non hanno ancora raggiunto la maturità della tecnologia delle turbine eoliche, l’ispezione visiva e le valutazioni offline rimangono la norma». È qui che entra in gioco il progetto WINDMIL (Smart Monitoring, Inspection and Life-Cycle Assessment of Wind Turbines) finanziato dal CER. Guidato da Chatzi, il progetto sta sviluppando un metodo più efficiente ed economico per il monitoraggio delle turbine eoliche. Il risultato è WINDMIL Suite, una soluzione di monitoraggio a lungo termine che utilizza sensori a basso costo per fornire in tempo reale un riscontro «dalla culla alla tomba» sullo stato della struttura.
Come effettuare la diagnosi di un mulino a vento
Secondo Chatzi, la maggior parte delle turbine eoliche odierne è dotata dei cosiddetti sistemi SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition, ovvero controllo di supervisione e acquisizione dati). «Sebbene questi sistemi monitorino una serie di quantità, tra cui giri al minuto, potenza prodotta e caratteristiche del vento, non riescono a fornire importanti informazioni strutturali come danni, fatica e deterioramento», spiega. Per colmare questa lacuna, il progetto WINDMIL ha aggiunto informazioni strutturali nel ciclo di valutazione della struttura della turbina eolica. «Misurando la risposta strutturale e le prestazioni complessive della turbina, possiamo diagnosticare le sue condizioni», aggiunge Chatzi. «Questo ci consente di pianificare in modo ottimale il suo funzionamento e la sua manutenzione e quindi possibilmente di prevedere, se non estendere, la sua durata di vita». Il modulo diagnostico e predittivo WINDMIL è stato convalidato tramite diversi set di dati. Questi includevano set di dati prodotti tramite grandi simulazioni numeriche, dati di laboratorio da un modello di turbina eolica su piccola scala, dati SCADA generati da parchi eolici in tutta Europa e dati di monitoraggio strutturale provenienti da sensori installati sui mulini a vento.
Nuovi dati, nuovi risultati e nuove opportunità future
Come risultato di una recente acquisizione, il laboratorio di Chatzi ora possiede una turbina eolica su piccola scala che funge da laboratorio operativo. «Utilizzando misurazioni dirette della risposta estratti dai componenti strutturali, come le pale, la torre e le fondamenta, stiamo dimostrando il potenziale di WINDMIL di ridurre i costi operativi e di manutenzione e prevenire i danni», osserva Chatzi. Il progetto è in corso e continua a produrre nuovi dati e risultati, oltre ad aver stimolato diversi progetti di follow-up e di collaborazione. Ad esempio, il Politecnico federale di Zurigo sta attualmente collaborando con l’Università di scienze applicate della Svizzera orientale per fornire il primo microsistema elettromeccanico intelligente di misurazione acustica e della pressione superficiale, per il monitoraggio delle pale delle turbine eoliche. «WINDMIL ha creato una fiorente direzione di ricerca con numerose opportunità per trasferire i nostri risultati nella pratica corrente», conclude Chatzi.
Parole chiave
WINDMIL, turbine eoliche, energie rinnovabili, cambiamenti climatici, energia eolica