Statyw (podstawa)
Statyw jest rodzajem fundamentu dla morskich turbin wiatrowych . Statyw jest generalnie droższy niż inne rodzaje fundamentów. Jednak w przypadku dużych turbin i większych głębokości wody niekorzystne koszty mogą zostać zrekompensowane, gdy uwzględni się również trwałość.
Historia
Początek branży morskiej energetyki wiatrowej
Eksploracja morskiej energetyki wiatrowej rozpoczęła się wraz z wprowadzeniem w latach 90-tych fundamentów jednopalowych dla turbin wiatrowych o mocy od 1 do 3 MW na wodach o głębokości około 10 do 20 m. Niemcy miały do czynienia z wodą o głębokości do 40 m, kiedy przystąpiły do tej nowej dziedziny energii odnawialnej . W tym samym czasie pojawiła się klasa turbin 5MW. Jednym z przedstawicieli tej nowej generacji turbin był Multibrid M5000 o średnicy wirnika 116 m, później 135 m pod markami Areva i Adwen . Pierwszy prototyp tej maszyny powstał w Bremerhaven w 2004 roku na lądzie. Już na tym etapie Bremerhaven wspierało rozwój w imieniu BIS Bremerhavener Gesellschaft für Investitionsförderung und Stadtentwicklung mbH.
Rozwój podstawy statywu
do wbijania pali oraz sprzętu logistycznego i instalacyjnego od nowego stulecia poszukiwano wykonalnego fundamentu dla przyszłych dużych turbin i większych głębokości wody. Jednym z rezultatów był fundament Tripod. Pierwszy projekt został sporządzony przez OWT – Offshore Wind Technology w Leer (Niemcy) w 2005 roku. Od samego początku statyw był projektowany integralnie z wieżą. Trójnożna konstrukcja sięga od dna morskiego do typowo 20 m nad poziomem wody morskiej, utrzymując przykręcony kołnierz na górze bezpiecznie z dala od grzbietu fal. Ta sekcja pozwala na wyposażenie na lądzie we wszystkie funkcje potrzebne do lądowania łodzi, prowadzenia kabli i, co nie mniej ważne, systemów ochrony przed korozją. Kolumna centralna została zaprojektowana jako system otwarty, umożliwiający swobodną wymianę wody w każdej z nich cykl pływów . Ta okoliczność jest korzystna, gdy system ochrony przed korozją musi być zaprojektowany dla powierzchni wewnętrznych.
Statyw jest przymocowany do dna morskiego za pomocą średniej wielkości pali szpilek. Stosy mogą być ułożone wstępnie lub po ułożeniu. Zaprojektowano również fundament kubła ssącego . Przewiduje się, że pierwsza sekcja wieży, zwana S3, zostanie zamontowana na morzu na statywie za pomocą przykręcanego połączenia kołnierzowego. Ta sekcja zawiera zewnętrzną platformę serwisową i drzwi wejściowe. Ta sekcja jest niezależnie dostępna dla urządzeń elektrycznych i procedur rozruchu na zimno. Dodatkowo zapewnia prostą wysokość, co można zaoszczędzić na stronie statywu. Wysokość statywu wynosi już około 60m na 40m głębokości wody.
W 2006 roku OWT zaprojektował demonstrator Tripod onshore dla Multibrid GmbH, wyprodukowany i wzniesiony w Bremerhaven w Niemczech przez firmę WeserWind GmbH Offshore Construction Georgsmarienhütte. To był początek długotrwałej współpracy między projektantem turbin i producentem Multibrid, projektantem fundamentów OWT i wykonawcą WeserWind. Tymczasem projekt w wystarczającym stopniu pokrywa wymagania stawiane fundamentowi turbiny morskiej, a produkcja była nawet trudna pod względem wielkości i kształtu konstrukcji. W tym czasie firma WeserWind była wspierana w zakresie produkcji i montażu przez swoją siostrzaną firmę IAG Industrieanlagenbau Georgsmarienhütte GmbH, również należącą do grupy Georgsmarienhütte. Pierwszemu uruchomieniu turbiny towarzyszył projekt badawczy IMO-Wind. Podjęto pierwsze kroki w monitorowaniu stanu, w tym określenie krzywych naprężeń, tzw. „Hot spot” Survey, w celu umożliwienia porównania z modelami obliczeniowymi.
Wdrożenia na dużą skalę
W 2008 roku zbudowano Tripody jako podkonstrukcję dla sześciu morskich turbin wiatrowych Multibrid M5000 w projekcie Alpha Ventus . Alpha Ventus została zaplanowana jako pierwsze pole testowe do eksploracji morskiej energii wiatrowej na wodach niemieckich. Organizacją projektu była Deutsche Offshore-Testfeld und Infrastruktur GmbH & Co. KG, DOTI. Została założona w 2006 roku przez EWE AG (47,5%), E.ON Climate & Renewables Central Europe GmbH i Vattenfall Europe Windkraft GmbH (każdy po 26,25%) przy wsparciu Stiftung Offshore Windenergie. Niemieckie Federalne Ministerstwo Środowiska BMU wsparło szereg projektów badawczych, które zostały podsumowane w inicjatywie RAVE (Research at Alpha Ventus). Szeroka baza doświadczeń i wiedzy została zdobyta w celu budowy, uruchomienia i eksploatacji przyszłych morskich farm wiatrowych . Statywy zostały wyprodukowane przez firmę Aker Kvaerner w Verdal w Norwegii. Poziomy montaż trójnogów został zrealizowany zgodnie z lokalnym doświadczeniem stoczni, pochodzącym z produkcji dużych płaszczy olejowych i gazowych, z późniejszym wywróceniem i oczywiście żeglugą w pozycji pionowej z Norwegii do terminalu morskiego w Eemshaven. Transport Statywów na miejsce był wykonywany przez Taklift 4 z Boskalis jeden po drugim.
Rok 2010 był kolejnym kamieniem milowym we wdrażaniu turbiny M5000 na fundamencie Tripod. Dwa projekty Borkum West II i Global Tech I postanowiły zbudować swoje farmy z wykorzystaniem tej platformy technologicznej. Prawie w tym samym czasie zamówiono po 40 statywów dla każdego projektu. Wychodząc naprzeciw temu zapotrzebowaniu, firma WeserWind opracowała podejście do produkcji seryjnej statywów w poprzednich latach, wspólnie z Dr. Möller GmbH / IMS Nord, Bremerhaven. Kluczowymi parametrami tego podejścia są koncepcja pionowego montażu, konfiguracja linii montażowej z maksymalnie dziewięcioma stanowiskami roboczymi, transport rosnących konstrukcji w imieniu ciężkich przewoźników kolejowych wzdłuż linii montażowej oraz zintegrowana operacja załadunku do ponton szyty na miarę. Opierając się na tej koncepcji, Georgsmarienhütte opracował program inwestycyjny budowy tego zakładu montażowego z dwiema równoległymi liniami w Lunedeich, Bremerhaven. Budynek został oddany do użytku na początku 2011 roku, aw czerwcu ukończono budowę pierwszego statywu Borkum-West II.
W grudniu 2011 roku ponton został ochrzczony, a terminal morski ABC-Peninsula został oddany do użytku przez BLG Logistics Solutions GmbH & Co. KG po zasadniczej modernizacji. Ostatecznie w latach 2011-2013 zbudowano w tym miejscu 100 trójnogów. Czas cyklu dla całej instalacji został osiągnięty do pięciu dni kalendarzowych na konstrukcję. Cykl ładowania został osiągnięty do czterech godzin. Również SIAG Emden i konsorcjum Iemants NV z Eiffage Construction Métallique SAS w Vlissingen wyprodukowało łącznie 20 statywów w tym czasie w pozycji pionowej. Technologia transportu morskiego została znacznie rozwinięta od czasów Alpha Ventus. Offshore Construction Jack Up „Innovation” firmy HGO InfraSea Solutions GmbH & Co. KG została uruchomiona w 2012 roku i wykonała swoją pierwszą pracę dla Global Tech 1, przewożąc trzy statywy i zestawy pali na żagiel. Statki dźwigowe „Stanisław Judin” i „Oleg Strassnow” firmy SHL Seaway Heavy Lifting obsługiwały Borkum West II.
Specyficzne właściwości techniczne
Przydatność i warunki użytkowania
Cechą charakterystyczną statywu jest połączenie konstrukcji nadwodnej, takiej jak rozwiązanie Monopile, z małą odsłoniętą powierzchnią, solidną wydajnością w scenariuszach ryzyka i łatwym przejściem do części wieży z efektem nośnym i wydajnością konstrukcji kratowej. W agresywnym środowisku strefy rozbryzgów unika się gorących punktów, co pozwala na swobodną ocenę zmęczenia korozyjnego .
W energetyce wiatrowej koordynacja dynamiki konstrukcji, charakteryzująca się częstotliwościami, w których się głównie kołysze, ma szczególne znaczenie ze względu na wzbudzenie przez wirnik turbiny. Zachowanie statywu znajduje się pomiędzy monopilem, który jest zwykle bardziej miękki, a płaszczem, który z kolei jest sztywniejszy.
Obszar zastosowania pod względem głębokości wody był początkowo przewidywany na co najmniej 25 metrów głębokości wody do 50 m. Imponująco rozwijająca się w ostatnich latach technologia Monopile przeniosła obszar jej zastosowania daleko do 40m obecnie. Dlatego statyw zniknął ze sceny. Oprócz większych nakładów na produkcję statywów, nakłady związane z transportem i instalacją mogą stać się jeszcze bardziej porównywalne w miarę wzrostu konstrukcji. Wreszcie dedykowana przydatność statywu do systemów ochrony przed korozją pozostanie istotną różnicą w stosunku do Monopile. Wydajność struktur w całym okresie życia i oceny due diligence aktywów na późniejszych etapach cyklu życia mogą dać powód do pogodzenia argumentów.
W porównaniu do innych struktur kratowych, takich jak Jackets, statyw jest mocowany za pomocą pali w dnie morskim. Liczba trzech nóg zapewnia wystarczającą stabilność w sytuacji bez palowania lub fugowania, co zapewnia niezawodne okno pogodowe do montażu. Parametry projektowe dla pali można wybrać niezależnie od samego statywu i wyraźnie odzwierciedlać potrzeby geotechniczne. Nie ma potrzeby stosowania przed szorowaniem .
Połączenie z palem jest zwykle realizowane za pomocą połączenia cementowego. Jest to technika polegająca na wlaniu specjalnego betonu w szczelinę między palem a tuleją pala. Dzięki powstałemu efektowi kompozytowemu obciążenia przenoszone są z tulei na pal, a tym samym na grunt. Proces iniekcji zanurzeniowej wymaga wysokich kompetencji w zakresie projektowania, planowania i realizacji procesów. Stabilna, umiarkowana temperatura pod wodą wspomaga proces utwardzania fugi wrażliwej na temperaturę.
Tła strukturalne
Działanie podpierające opiera się na odchyleniu momentu zginającego wieży na słupy, które następnie są zasadniczo tylko ciągnięte lub pchane. Wymaga to kombinacji górnych i dolnych nóg, które budują dźwignię. Alternatywnie zamiast pryzmy można zastosować wiadro ssące. Dla porównania, monopal rozkłada swoje obciążenia poprzez stabilizację boczną w podłożu.
Węzły rurowe są charakterystycznym elementem konstrukcyjnym w konstrukcjach kratowych, w których rury przecinają się ze sobą. Korzystne jest, aby wchodzące rury, króćce, pozostawały w pewnym stosunku średnic (0,8) do ciągłej rury, cięciwy, w celu uzyskania skutecznego efektu przenoszenia obciążenia. Efekt ten decyduje o ostatecznych proporcjach wymiarowych.
Grubości płyt w fundamentach morskich są dobrze dostosowane do lokalnych sytuacji obciążenia. Zrównoważone wykorzystanie materiału można osiągnąć projektowo, ponieważ wymiary fundamentów morskich są duże w porównaniu z wymiarami blach walcowanych na gorąco . Trójnogi i Monopale to konstrukcje skorupowe . Ich grubość ścianki jest stosunkowo niewielka w porównaniu do średnicy. Dlatego muszą być udowodnione w kategoriach wyboczenia powłoki . Wieża, rura środkowa i nogi są montowane z cylindrycznych lub stożkowych sekcji, puszek, o indywidualnej długości od 2 do 4m. Grubości ścianek mieszczą się w zakresie od 40 do 60 mm w kolumnie centralnej, kilka puszek w obszarach narażonych na duże obciążenia do 90 mm. Grubość ścianek stożkowych nóg wynosi od 20 do 30 mm.
Żywotność jest głównym wymogiem projektu. W klasycznym przemyśle naftowym i gazowym obciążenia fal na morzu zostały już uwzględnione. Eksploatacja generatorów turbin wiatrowych powoduje dodatkowo duże dynamiczne obciążenia eksploatacyjne. W imponujący sposób zaobserwowano to w przypadku projektu Growian, który był dwułopatkową turbiną lądową o mocy 3 MW, który z tego powodu upadł w 1983 roku.
Metody obliczeniowe
Do oceny wykorzystywane są głównie metody MES . Dopiero te bardziej rozbudowane narzędzia pozwalają na szczegółowe odzwierciedlenie krzywych naprężeń i zapewnienie dokładności wymaganej do projektowania. Czasy obliczeń zostały znacznie skrócone dzięki modelowaniu skryptowemu i zwiększeniu prędkości obliczeniowej, co zwiększyło prędkość iteracji, a tym samym poprawiło wyniki optymalizacji.
Podsumowanie i perspektywy
Fundament Tripod dla morskich turbin wiatrowych stanowi znaczący wkład w początek przemysłowego wykorzystania morskiej energii wiatrowej na wodach niemieckich. Narodziła się w kreatywnej skorupie orzecha niemieckich pionierów morskiej energetyki wiatrowej i rozszerzyła swój potencjał pozyskując kolejnych partnerów do dużego multidyscyplinarnego zespołu realizującego wizję. Fakt, że obecnie działa 126 turbin ustawionych na Tripodach, jest wynikiem wieloletniej, rzetelnej współpracy wielu interesariuszy.
W 2014 r. przeprowadzono analizę biurkową oceniającą wykonalność koncepcji fundamentów dla następnej generacji turbin o mocy 8 MW i średnicy wirnika przekraczającej 160 m. Istotne było zademonstrowanie ograniczonego przyrostu masy przy przenoszeniu jeszcze większych obciążeń, a tym samym zatwierdzenie wszystkich istniejących procesów produkcyjnych i instalacyjnych z wcześniej wykonanych projektów.
Dziś zdobyta wiedza w dziedzinie inżynierii morskiej z dekady Tripod jest rodzajem niematerialnego zasobu, który można wykorzystać w nowych projektach z wykorzystaniem koncepcji Monopile, Jacket lub dlaczego nie Tripod, badając najnowsze osiągnięcia w zakresie obniżania kosztów energii.