Pomimo doskonałych warunków wiatrowych na morskich obszarach Europy, inwestorzy wolą instalować elektrownie wiatrowe na lądzie, a nie na morzu. Dzieje się tak dlatego, że morskie elektrownie wciąż są za drogie. Droższy jest fundament i montaż, więcej kosztuje także połączenie kablowe z siecią elektroenergetyczną.
 Fot. 1. Prototyp MEW o mocy 2x0,0075 = 0,015kW.  Rys. 1. Morska elektrownia wiatrowa z nieruchomą lub obrotową wieżą. Fundament jednopalowy z płytą oporową.  Rys. 2. Morska elektrownia wiatrowa z obrotową wieżą i z jednym zespołem prądotwórczym. Widok z boku.  Rys. 3. Morska elektrownia wiatrowa z obrotową wieżą i z jednym zespołem prądotwórczym. Widok z przodu.  Rys. 4. Morska elektrownia wiatrowa. Montaż - I faza. Widok z boku.  Rys. 4. Morska elektrownia wiatrowa. Montaż – I faza. Widok z boku.  Fot. 2. Moment, gdy elektrownia wiatrowa odrywa się od pływaków i jest podnoszona do góry. Te niekorzystne tendencje można jednak odwrócić, stosując dla fundamentu, wieży i montażu nowatorskie rozwiązania, które powinny doprowadzić do obniżenia nakładów inwestycyjnych na morskie elektrownie wiatrowe, stymulując w ten sposób szybszy ich rozwój.
W obecnej praktyce i w planach perspektywicznych na morzu stawia się jednostki o możliwie dużej mocy: 3, 3,6 i 5 MW.
Rozwój MEW najlepiej jest prześledzić na przykładzie Niemiec, które są światowym liderem energetyki wiatrowej. Obecna moc zainstalowanych w tym kraju elektrowni wiatrowych wynosi 20 600 MW, co stanowi 27,8% udziału w światowym rynku. Niemcy nastawiają się głównie na instalowanie jednostek MEW o mocy 5 MW. Prototypowe jednostki dwóch firm niemieckich nastawionych wyłącznie na MEW już pracują, jednostka trzeciej firmy ma być uruchomiona w bieżącym roku.
W przyszłym roku w lokalizacji Borkum West ma być uruchomionych dwanaście jednostek o mocy 5 MW celem przeprowadzenia wszechstronnych badań, ale są już komercyjne zamówienia na te jednostki z terminem uruchomienia w latach 2008-2009 – 21 jednostek dla lokalizacji Seine Martime we Francji i 6 jednostek dla lokalizacji Thronton Bank w Belgii.
Do roku 2004 Niemcy nie miały ani jednej morskiej elektrowni wiatrowej, obecnie przewidują szybki ich rozwój. Planuje się, że w 2010 roku łączna zainstalowana moc MEW będzie wynosić 5500 MW, a w 2020 roku – 20 000 MW.
Koszt budowy elektrowni wiatrowej
Koszt budowy lądowej elektrowni wiatrowej o mocy od 1,5 MW wzwyż ukształtował się na stabilnym poziomie 1250 €/kW. Z różnych analiz w skali makro wynika, że koszt jednostkowy morskiej elektrowni wiatrowej ustabilizuje się na poziomie 1800 €/kW. Oznacza to że MEW o mocy 5 MW powinna kosztować 9 000 000 € bez uwzględnienia kosztu kabla elektrycznego doprowadzającego energię elektryczną z farmy wiatrowej do sieci elektroenergetycznej. Z innych publikowanych danych wynika, że fundament dla MEW o mocy 5 MW, przy głębokości wody 30 m, kosztuje 2 500 000 €, a montaż końcowy 750 000 €.
W wyniku zastosowania proponowanych tu nowatorskich rozwiązań koszt fundamentu i montażu MEW o mocy 5 MW będzie można obniżyć o łączną kwotę 1 500 000 €.
Konstrukcja fundamentu dla MEW o mocy 5 MW
Konstrukcje fundamentów instalowanych w morskich elektrowniach wiatrowych należą w większości do typu „monopile”, czyli „jednopalowych”, wkręcanych lub wbijanych młotem hydraulicznym w podłoże. Wraz ze wzrostem mocy elektrowni rosła średnica fundamentów. Rekordową średnicę 5,1 m osiągnął fundament w Arklow w Irlandii dla MEW 3,6 MW, którego długość wynosiła 40 m, a masa ponad 300 ton. Dla MEW o mocy 5 MW fundamenty jednopalowe raczej nie wchodzą w rachubę. Przy głębokości akwenu 20-40 m średnica takiego fundamentu musiałaby wynosić co najmniej 6-7 m i byłoby to z pewnością nieopłacalne.
Aby rozwiązać problem, sięgnięto do znanych, lecz dotychczas niestosowanych konstrukcji – fundamentu „tripod” z trzema palami wprowadzonymi w podłoże i „quadropod” z czterema palami wprowadzonymi w podłoże. Pale te mogą mieć mniejszą średnicę, około 2-2,5 m, gdyż liczy się tutaj łączna powierzchnia przekroju poprzecznego pali, odpowiadająca w przybliżeniu wymaganej powierzchni przekroju poprzecznego pala pojedynczego. Wykonanie takiego fundamentu jest dość skomplikowane. Do podłoża należy wprowadzić trzy lub cztery pale w ściśle określonej konfiguracji, zaś równolegle na lądzie zostaje wykonana kratowa konstrukcja „tripoda” lub „quadropoda”. Następnie element ten musi być odtransportowany, opuszczony na dno z wcelowaniem w wierzchołki pali i trwale do nich przymocowany. Na wierzchołku tej konstrukcji umieszcza się wieżę i pozostałe elementy za pomocą urządzeń dźwigowych. Przykładowo: łączna masa pali i „quadropoda” w lokalizacji Beatrice w Szkocji wynosi około 1200 ton.
Konstrukcja autorska dla MEW o mocy 5 MW
Propozycja konstrukcji fundamentu jednopalowego z płytą oporową dla MEW jest rozwiązaniem, w którym zastosowano fundament jednopalowy, wyposażony dodatkowo w płytę oporową. Taka konstrukcja może być zastosowana dla morskiej elektrowni wiatrowej o mocy 5 MW, zlokalizowanej w akwenie o głębokości do 40 m. Średnica jednopalowego fundamentu nie przekroczy w tym przypadku 5 m, a więc może być wykonana z zastosowaniem istniejącego sprzętu wiertniczego.
Tego typu fundament musi spełniać dwa podstawowe kryteria. Po pierwsze, naprężenia w stali nie mogą przekroczyć wartości dopuszczalnych w przekroju obciążonym największym momentem, wywołanym siłą parcia wiatru na wirnik turbiny wiatrowej. Przekrój ten znajduje się w przybliżeniu na poziomie dna akwenu. Po drugie, naprężenia w gruncie wokół fundamentu nie mogą przekroczyć wartości dopuszczalnych. Rys. 1 wyjaśnia zasadę działania fundamentu jednopalowego z płytą oporową.
Siła parcia wiatru na wirnik wywołuje równoważne siły reakcji działające na grunt. Współdziałanie poszczególnych elementów fundamentu jednopalowego z płytą oporową polega na tym, że jedną część sił reakcji stanowią siły tnące w gruncie wokół fundamentu jednopalowego, zaś drugą część sił reakcji stanowią siły tarcia występujące na styku powierzchni gruntu dna akwenu ze spodnią częścią płyty oporowej.
Wielkość siły tarcia jest uzależniona od chropowatości i ciężaru płyty oporowej.
Niezbędny do obliczeń współczynnik chropowatości statycznej dla podłoża piaszczystego i chropowatego dna płyty został określony doświadczalnie. Płyta oporowa powinna mieć dużą masę właściwą – co najmniej 3 g/cm3.
Beton ciężki z dodatkiem około 25% złomu żelaznego będzie najlepszym materiałem.
Żwir lub inny twardy materiał wsypany między fundament jednopalowy i płytę oporową przenosi poziomą siłę z fundamentu jednopalowego na płytę oporową i jednocześnie nie przeszkadza w osiadaniu płyty oporowej na dnie.
W opisywanym rozwiązaniu powierzchnia fundamentu jednopalowego równoważy część sił tnących w gruncie, jak również, zupełnie niezależnie, płyta oporowa równoważy pozostałą część sił tnących w gruncie, których fundament jednopalowy nie jest w stanie zrównoważyć ze względu na zbyt małą jego średnicę.
Wykonanie fundamentu jednopalowego z płytą oporową przebiega następująco: fundament zostaje wwiercony w dno morza. Po przygotowaniu na lądzie kręgów płyty oporowej o masie 50 do 100 t zostają one wpuszczone do wody i osiadają na dnie morza. W szczelinę między fundamentem a kręgami wsypuje się żwir i fundament jest gotowy.
Fundament dla MEW o mocy 5 MW zainstalowany w lokalizacji Borkum West, gdzie głębokość wody sięga 32 m, został obliczony przez ekstrapolację wyników obliczeń komputerowych wykonanych za pomocą programu MHOROPILE wersja 3.1.3.
Stwierdzono, że kryterium wytrzymałości stali spełnia pal fundamentowy o średnicy 4,7 m i grubości ścianki 55 mm.
Aby kryterium zachowania dopuszczalnych naprężeń w gruncie było spełnione, należy umieścić na dnie, w zależności od typu turbiny wiatrowej, 5 lub 7 kręgów płyty oporowej o średnicy zewnętrznej 7 lub 8m i łącznej masie 250 lub 650 ton.
Proponowane rozwiązanie ma wiele zalet: - krótki czas wykonania fundamentu, mniejsze zaangażowanie sprzętu i personelu,
- duża oszczędność stali i częściowe zastąpienie jej betonem ciężkim, znacznie tańszym,
- fundamenty krótsze o minimum 8 metrów.
Szacunek kosztu wykonania takiego fundamentu przedstawia się następująco: fundament o średnicy 4 m w lokalizacji Horns Rev kosztował w 2002 roku 850 000 €. Obecnie fundament jednopalowy o średnicy 4,6 m w lokalizacji Borkum West, przy uwzględnieniu wzrostu cen, powinien kosztować 1 200 000 €. Wykonanie kręgów będących elementami płyty oporowej, umieszczenie ich na dnie morza i zasypanie żwiru powinno kosztować: 650 t x 200 €/t = 130 000 €.
Z kolei fundament „tripod” kosztuje 2 500 000 €, więc oszczędność wynikająca z zastosowania konstrukcji autorskiej fundamentu jednopalowego z płytą oporową wynosi 1 170 000 €.
Konstrukcja autorska wieży obrotowej
Na rys. 2 i 3 przedstawiono morską elektrownię wiatrową z jednym zespołem prądotwórczym, umiejscowionym stabilnie na obrotowej wieży. Elektrownia wiatrowa ustawia się wraz z wirnikiem prostopadle do kierunku wiatru pod działaniem steru tylnego. Tylna część wieży oparta jest na dwóch podwójnych pływakach, które przy silnych wiatrach zanurzają się głębiej w wodzie, a przy ciszy wynurzają się, lecz nie są w stanie oderwać się od powierzchni wody dzięki zastosowaniu balastów wodnych.
Zużycie stali na obrotową wieżę jest porównywalne ze zużyciem stali na wieżę stałą i nie ma tu oszczędności. Korzyść z zastosowania wieży obrotowej polega na tym, że może ona być postawiona wraz z całą elektrownią na fundamencie za pomocą wyciągarki. Jest to sposób tani i całkowicie bezpieczny.
Inną korzyścią z zastosowania obrotowej wieży jest możliwość budowy MEW o mocy 2 x 5 = 10 MW. Wieża będzie miała wówczas wysokość około 150 m przy większym o 40% jednostkowym zużyciu stali, ale za to górny wirnik, usytuowany na poziomie +210 m, wyprodukuje o kilka procent więcej energii elektrycznej niż wirnik dolny.
Autorski sposób montażu
Autorski sposób montażu MEW z obrotową wieżą o mocy 5 MW polega na tym, że montaż wstępny, pokazany na rys. 4, odbywa się w porcie morskim lub nabrzeżu portowym za pomocą dźwigów stacjonarnych, a montaż końcowy odbywa się przy użyciu wyciągarki bębnowej przycumowanej do fundamentu sąsiedniej elektrowni wiatrowej.
Montaż końcowy, pokazany na rys. 5, przebiega bardzo szybko i jest całkowicie bezpieczny, gdyż w czasie podnoszenia całej elektrowni wiatrowej do pozycji pionowej spód wieży jest już trwale przymocowany do sworzni tulei obrotowej, a sworznie są z kolei tymczasowo przymocowane do fundamentu jednopalowego.
W całym procesie łącznym: wykonaniu fundamentu, montażu wstępnym w porcie i montażu końcowym, oszczędza się dużo czasu w porównaniu z tradycyjnymi metodami stosowanymi z użyciem dźwigów i specjalistycznego sprzętu.
Zaproponowany sposób montażu ma jeszcze dwie istotne zalety. Pierwszą z nich jest to, że do transportu elektrowni wiatrowej z portu na miejsce lokalizacji używane są pływaki bardzo prostej konstrukcji, które mogą być wykonane w kilku kompletach. Umożliwia to montaż dużej liczby elektrowni wiatrowych w krótkim przedziale czasowym. Druga zaleta polega na tym, że po 20 latach pracy elektrowni wiatrowej lub w przypadku poważnej awarii można szybko przeprowadzić demontaż całej elektrowni. W tym celu wykonuje się poszczególne operacje w odwrotnej kolejności, na terenie stoczni przeprowadza się wymianę zużytych elementów na nowe i stawia zregenerowaną elektrownię wiatrową z powrotem na fundamencie, żeby mogła pracować przez kolejne 20 lat.
Według publikowanych danych montaż końcowy MEW ze stałą wieżą o mocy 5 MW kosztuje 750 000 €.
Opisany autorski sposób montażu takiej elektrowni z obrotową wieżą będzie znacznie tańszy.
Można go oszacować na kwotę 250 000 €, a wówczas oszczędność wyniesie 500 000 €.
Instalacje pilotowe
Budowa instalacji pilotowej jest przedsięwzięciem bardzo wskazanym. Może to być tylko fundament jednopalowy z płytą oporową albo cała elektrownia o mniejszej mocy z fundamentem jednopalowym i płytą oporową, zmontowane według autorskiej metody.
Ponieważ sprawdzenie pracy elektrowni pilotowej nie musi trwać długo, można wykorzystać do tego celu wyeksploatowaną, ale jeszcze całkowicie sprawną elektrownię wiatrową pochodzącą z demontażu. Koszt takiej instalacji, budowanej w formule „non profit”, powinien się zwrócić po upływie trzech lub czterech lat pracy elektrowni. Doświadczenia z budowy i eksploatacji instalacji pilotowych będą bardzo pomocne przed przystąpieniem do budowy MEW o mocy 5 MW lub 2 x 5 = 10 MW.
Badanie prototypów
Budowa i badanie prototypów w małej skali jest podstawową metodą identyfikacji i rozwiązywania technicznych problemów związanych z projektowaniem innowacyjnych rozwiązań.
Fot. 1 przedstawia prototyp MEW o mocy 2 x 0,0075 = 0,015 kW przy prędkości wiatru 6 m/s. Ma on wszystkie innowacyjne rozwiązania: fundament jednopalowy z płytą oporową i obrotową wieżę, a jego montaż przeprowadzono bez zastosowania urządzeń dźwigowych.
Na fot. 2 uchwycono moment, gdy elektrownia wiatrowa odrywa się od pływaków i jest podnoszona do góry. W tym momencie linka jest obciążona największą siłą, która powinna działać na sam środek konstrukcji. Podczas przeprowadzania testów podnoszenie przebiegało bez zakłóceń, ale w fazie projektowej przewidziano dodatkowe zabezpieczenie, wykluczające możliwość powstania znaczącej asymetrii działających sił przy podnoszeniu elektrowni wiatrowej.
Zbyszko Jaroszewicz
EKO-PRO
Literatura.
1. Steffen Ebert, German Wind Energy Association (BWE), German Windmarket and Industry – Current Developments and Perspectives.
2. Dipl.- Ing. Niels Erdmann, Husumwind, Funktionsweise der Multibrid.
3. Nicole Weinhold, neue energie, Stiff prices for a firm base.
4. Ballast Nedam Engineering DOWEC, Foundation Design Monopile 3,6 & 6,0 MW wind turbines.
5. Renewable Energy World, Horns Rev 160 MW offshore wind.
6. Offshore Windenergy Europe (OWE), Expert guide, Technology of OWE.
7. Offshore Windenergie, Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR).
8. Talisman Energy, Beatrice Wind Farm Demonstrator Project. |
)
)
)
)
)