Alla recente conferenza tecnologica sull'ingegneria dell'energia eolica offshore in Cina, il direttore generale della linea di prodotti offshore ha tenuto un discorso programmatico. Ha sottolineato che gli attuali colli di bottiglia nelle turbine eoliche offshore cinesi risiedono nelle pale e nei cuscinetti principali. Data l'elevata domanda di turbine eoliche offshore, è fondamentale per i produttori concentrarsi sulla fornitura di soluzioni che garantiscano il ritorno sugli investimenti basandosi sulle catene di approvvigionamento disponibili, supportando così lo sviluppo sostenibile dell'energia eolica offshore in Cina.

Percorso di sviluppo delle pale delle turbine eoliche

È stata esaminata l'evoluzione delle pale delle turbine eoliche in Europa e in Cina. Tra il 1991 e il 2015, la Cina ha seguito l'esempio dell'Europa in termini di potenza delle turbine e dimensioni delle pale. Tuttavia, entro il 2017, la Cina ha sviluppato una turbina eolica con un diametro di 171 metri, superando i 164 metri delle turbine europee. Entro il 2019, sia l'Europa che gli Stati Uniti hanno introdotto turbine ancora più grandi, con un diametro di 220 metri. Questa parità nelle dimensioni delle turbine indica che Cina ed Europa si trovano ora a un livello simile nello sviluppo delle turbine eoliche offshore.

Sfide e innovazioni nel settore dell'energia eolica

Secondo una rinomata rivista scientifica internazionale, con l'aumento delle dimensioni delle turbine eoliche offshore, il settore dell'energia eolica si trova ad affrontare sfide significative in termini di aerodinamica, dinamica strutturale e idrodinamica. La ricerca in questi ambiti scientifici fondamentali non ha tenuto il passo con la crescita dei diametri delle turbine. A differenza dell'industria aeronautica, dove nemmeno dopo un secolo si sono viste aperture alari degli aerei superiori agli 80 metri, l'industria eolica, in meno di quarant'anni, ha raggiunto diametri di turbina di 200 metri.

È stata sottolineata l'importanza di un progresso graduale nell'ingegneria e nei progressi tecnologici. L'aumento della lunghezza delle pale richiede scoperte rivoluzionarie nei materiali e nelle tecnologie di produzione. Affidarsi esclusivamente alle tecnologie esistenti per aumentare le dimensioni delle pale non è sufficiente a sostenere l'ulteriore sviluppo dell'energia eolica offshore.

La necessità di materiali per veli in fibra di carbonio

Per supportare pale offshore più lunghe, l'industria deve avventurarsi nel territorio inesplorato dei materiali in fibra di carbonio. Questa transizione rispecchia la situazione di un decennio fa, quando la Cina doveva concedere in licenza i progetti delle pale a società europee, con materiali e attrezzature principali provenienti da aziende tedesche o giapponesi. Grandi investimenti in stampi, tempi lunghi e tecnologie di processo immature complicano ulteriormente lo sviluppo, rendendo l'efficienza di lavorazione delle pale sovradimensionate significativamente inferiore di 3-4 volte rispetto a quella delle pale standard. Ciò rappresenta un collo di bottiglia importante per garantire la fattibilità dei progetti negli attuali scenari di installazione di impianti eolici offshore su larga scala in Cina. La fibra di carbonio è essenziale per la prossima generazione di turbine eoliche, in quanto risponde sia all'esigenza di resistenza che di leggerezza.

Sfide nella catena di fornitura dei cuscinetti principali

Il cuscinetto principale rappresenta un altro collo di bottiglia, derivante da sfide di progettazione, problemi della catena di approvvigionamento e complessità di installazione. Nello specifico, la catena di approvvigionamento dei cuscinetti principali per le grandi turbine offshore si trova ad affrontare tre sfide principali:

1. Il diametro dell'anello principale del cuscinetto spesso supera i 2 metri, superando la capacità della maggior parte delle macchine utensili attualmente disponibili.

2. Ci sono solo due fornitori principali, per i quali è necessario prenotare la capacità con almeno un anno di anticipo.

3. Attualmente i fornitori nazionali non dispongono delle capacità di progettazione e lavorazione necessarie per cuscinetti di tali dimensioni.

   
   

Soluzioni e innovazioni nella tecnologia dei cuscinetti

L'adozione della tecnologia dual SRB per le configurazioni dei cuscinetti principali garantisce il supporto per turbine da 5-6 MW con un diametro entro 1,5 metri. Questa soluzione, supportata da una solida catena di fornitura globale, consente il coinvolgimento dei fornitori locali nella progettazione e nella produzione. Al contrario, le tecnologie che richiedono diametri maggiori, come la tecnologia dual TRB e DRTRB, presentano significative sfide in termini di capacità ed efficienza.

Ottimizzazione delle prestazioni delle turbine eoliche offshore

Nonostante le difficoltà, l'azienda rimane fiduciosa di poter fornire soluzioni eoliche offshore in grado di generare rendimenti positivi sugli investimenti. È stata creata una mappa completa del costo livellato dell'energia (LCOE) per i parchi eolici offshore cinesi, che guida la definizione delle turbine e aiuta gli sviluppatori a identificare i progetti redditizi. L'attenzione non è focalizzata sulla capacità delle turbine, bensì sull'LCOE, dove la produzione di energia rappresenta il fattore più critico.

Adattamenti regionali e analisi di sensibilità del costo livellato dell'energia (LCOE)

Diverse regioni richiedono diverse combinazioni di potenza della turbina e diametro del rotore per ottimizzare il LCOE (costo livellato dell'energia). L'azienda ha condotto analisi di sensibilità del LCOE per aree con vento forte come il Fujian, aree con vento debole come il Guangxi e aree con vento medio-basso come lo Zhejiang. I risultati indicano che le turbine da 6-8 MW sono ottimali per scenari con vento forte, mentre le turbine da 4-6 MW sono le migliori per scenari con vento debole o medio-basso. Velocità del vento inferiori richiedono diametri del rotore maggiori e viceversa. L'utilizzo di velo in fibra di carbonio in queste turbine è fondamentale per raggiungere le prestazioni e l'efficienza desiderate.

Gestione delle perdite dovute alla scia negli impianti eolici offshore

I parchi eolici offshore cinesi sono soggetti a maggiori perdite dovute alla scia rispetto a quelli europei, a causa della maggiore densità di installazione, delle velocità del vento inferiori e della maggiore stabilità atmosferica. Una valutazione di quasi 1,5 GW di capacità di turbine offshore ha rivelato che le stime iniziali delle perdite dovute alla scia erano inferiori di circa il 2%. Gli sforzi per ridurre tali perdite attraverso la tecnologia di controllo della scia di gruppo hanno portato a un aumento del 3-4% nella produzione di energia. Con l'aumentare della densità di installazione dei parchi eolici offshore, il valore della tecnologia di controllo della scia di gruppo diventa sempre più significativo. L'implementazione di un rivestimento in fibra di carbonio nella progettazione delle pale non solo migliora le prestazioni, ma mitiga anche l'impatto delle perdite dovute alla scia.