Ekspansja europejskiego sektora morskiej energetyki wiatrowej na głębsze wody
Od 2009 roku obserwujemy wykładniczy wzrost mocy zainstalowanej morskich turbin wiatrowych, od około 2 gigawatów, aż do obecnych 72 gigawatów. Większość europejskich morskich elektrowni wiatrowych znajduje się na Morzu Północnym, a większość turbin jest przytwierdzona na stałe do dna morskiego. Wadą tego rozwiązania jest ograniczenie możliwości rozwoju elektrowni do stosunkowo płytkich wód - maksymalna głębokość wynosi około 60 metrów. Pływające morskie turbiny wiatrowe stanowią klucz do dalszego wykorzystywania energii wiatru na obszarach oddalonych od linii brzegowej, w tym na wąskich szelfach kontynentalnych Morza Śródziemnego. Konieczne jest w związku z tym opracowanie skuteczniejszych narzędzi modelujących, by umożliwić opłacalny ekonomicznie rozwój rozwiązań. Realizowany dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie” projekt SEAFLOWER był poświęcony opracowaniu metod numerycznych łączących dotychczasowe doświadczenia i nowe odkrycia przy użyciu analizy metodą elementów skończonych, metamodelowania i sztucznej inteligencji.
Metamodelowanie systemów kotwiczących
Metamodelowanie stanowi sprawną i wydajną obliczeniowo metodę aproksymacji stosowaną w celu odtwarzania odpowiedzi złożonych modeli elementów skończonych. Dzięki stworzeniu uproszczonego modelu, który odtwarza podstawowe zachowanie bardziej złożonego układu, metoda metamodelowania pozwala na przyspieszenie obliczeń i zmniejszenie zapotrzebowania na moce obliczeniowe, co jest szczególnie istotne w przypadku dużych zbiorów danych i złożonych symulacji. Jednym z takich złożonych problemów są systemy pozwalające na kotwiczenie pływających turbin wiatrowych. Tego rodzaju turbiny są wznoszone na platformach przytwierdzonych linami cumowniczymi i kotwicami. Rozwiązanie to jest wciąż na wczesnym etapie rozwoju - dotychczas powstało wyłącznie kilka realizacji pilotażowych. Istniejące systemy kotwiczące opierają się w dużym stopniu na rozwiązaniach wykorzystywanych w przemyśle naftowym i gazowym. Turbiny wiatrowe charakteryzują się jednak innymi wymogami. Alessio Mentani, stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie” z Uniwersytetu Bolońskiego, postanowił opracować i zweryfikować procedurę metamodelowania rozwiązań kotwiczących. Choć Mentani uzyskał doktorat w dziedzinie inżynierii geotechnicznej, nigdy wcześniej nie zajmował się zawodowo geotechniką morską, dysponował też niewielkim doświadczeniem związanym z technikami metamodelowania. „Projekt SEAFLOWER stanowił wyjątkową okazję do poszerzenia mojej wiedzy i umiejętności w tym specjalistycznym obszarze badawczym. Dzięki niemu rozwinąłem także sieć moich kontaktów zawodowych, co było jednym z moich kluczowych celów”, wyjawia badacz.
Łączenie metamodeli i metody elementów skończonych
„Połączenie modelowania opartego na metodzie elementów skończonych z metodami metamodelowania było trudnym zadaniem, podobnie jak wskazanie problemu badawczego, który umożliwiał wykorzystanie obu technik. Dzięki iteracyjnemu modelowi rozwoju i wytrwałości udało się pokonać przeszkody i opracować niezawodną metodykę, która poprawiła nasze rozumienie procesu łączenia zaawansowanych technik w praktycznych zastosowaniach”, zauważa Laura Govoni, profesor nadzwyczajna na Uniwersytecie Bolońskim i kierowniczka projektu. Mentani początkowo skupił się na potwierdzeniu słuszności koncepcji na podstawie kotwy wbijanej poddawanej obciążeniom rozciągającym. W ramach drugiego studium przypadku badacz przyjrzał się bardziej złożonemu scenariuszowi - kotwie płytowej zainstalowanej w glebie charakteryzującej się zmiennymi właściwościami na całym obszarze, co pozwoliło na zebranie bardziej zaawansowanych wyników. „Uwzględnienie zmienności przestrzennej w technikach metamodelowania w celu zbadania, w jaki sposób zmienność właściwości gleby wpływa na zdolność utrzymywania kotwy płytowej, było zarówno innowacyjne, jak i wymagające. Sukces tych prac potwierdził niezawodność podejścia do probabilistycznej analizy problemów”, zauważa Mentani. „Opracowany artykuł zawierający opis kluczowych wyników jest obecnie recenzowany. Mam nadzieję, że zaowocuje nowymi wnioskami i przyczyni się do rozwoju tej dziedziny”, dodaje badacz. Choć modele opracowane dla obu systemów kotwiczących są istotne, weryfikacja niezawodności metody pozwoli na jej upowszechnienie i wykorzystanie w celu realizacji ambicji Europy w zakresie morskiej energetyki wiatrowej.
Słowa kluczowe
SEAFLOWER, metamodelowanie, systemy kotwiczące, morska energetyka wiatrowa, pływające turbiny wiatrowe, modele elementów skończonych, kotwica płytowa, SI, kotwica wbijana, metoda elementów skończonych, pływające morskie turbiny wiatrowe
