Fondazioni Ibride Offshore: Il Segreto per Turbine Eoliche Più Forti e Durature?

Amici appassionati di tecnologia e sostenibilità, oggi voglio parlarvi di una sfida ingegneristica che mi affascina parecchio: come rendere le gigantesche turbine eoliche offshore ancora più solide e longeve. Sapete, l’energia eolica in mare aperto è una miniera d’oro per la produzione di energia pulita, ma installare e mantenere queste strutture imponenti ha i suoi grattacapi, soprattutto quando si parla di fondamenta.

Ho letto di recente uno studio molto interessante che si concentra proprio su questo: la valutazione numerica dell’efficienza delle fondazioni ibride per le turbine eoliche offshore (OWT). E credetemi, i risultati sono promettenti!

Il Problema: Monopali Sotto Stress

Le fondazioni più comuni per le turbine eoliche offshore sono i cosiddetti monopali: essenzialmente, enormi pali d’acciaio piantati nel fondale marino. Funzionano bene, ma c’è un “ma”. Queste strutture sono costantemente bombardate da carichi ciclici – pensate alle onde, al vento, alle correnti – che, nel tempo, possono causare deformazioni permanenti del fondale attorno al monopalo. Questo, capite bene, ne compromette la stabilità e le prestazioni. E sostituire un monopalo già installato? Beh, diciamo che non è proprio una passeggiata, né economicamente vantaggioso.

Qui entrano in gioco le fondazioni ibride, una soluzione di retrofitting (cioè di “messa a nuovo” e potenziamento) che sta guadagnando sempre più attenzione. Immaginate di poter rinforzare una fondazione esistente senza doverla smantellare completamente. Non male, vero?

La Soluzione Innovativa: Un Team di Componenti al Lavoro

Lo studio che ho analizzato si è concentrato su un sistema ibrido piuttosto ingegnoso. Non si tratta solo di aggiungere qualche pezza qua e là. Parliamo di una combinazione specifica: si prende il monopalo esistente e gli si affianca una fondazione a cassone (bucket foundation) e un contenitore circolare cavo in acciaio. Quest’ultimo non è vuoto, ma viene riempito con materiale apposito (materiale di riempimento) ed è rinforzato con degli irrigidimenti per evitare che si deformi sotto carico. Un vero e proprio “upgrade” strutturale!

I ricercatori hanno passato in rassegna diverse configurazioni di fondazioni ibride già proposte in letteratura e poi hanno messo alla prova, attraverso simulazioni numeriche molto dettagliate, questo loro nuovo concetto.

Cosa Dicono i Numeri? I Vantaggi Sono Concreti!

Ebbene, i risultati parlano chiaro. Le fondazioni ibride, e in particolare quella proposta, portano a un bel po’ di miglioramenti:

• Maggiore rigidità della fondazione: Questo significa che la struttura “traballa” meno sotto l’azione delle forze ambientali. Pensate a quanto sia importante per la stabilità e l’efficienza della turbina che sta sopra!
• Aumento della capacità di carico laterale e della resistenza ai momenti: In pratica, la fondazione può sopportare forze orizzontali (come quelle del vento e delle onde) e momenti flettenti (che tendono a “piegare” la struttura) molto più intensi.
• Mitigazione delle inclinazioni eccessive: Uno dei problemi dei monopali tradizionali sotto carichi ciclici è la tendenza a inclinarsi progressivamente. Le fondazioni ibride contrastano efficacemente questo fenomeno.

Tutto ciò si traduce in una maggiore stabilità strutturale, una affidabilità a lungo termine superiore e, di conseguenza, una vita operativa più lunga per le nostre amate turbine eoliche. Non è fantastico? Stiamo parlando di rendere l’infrastruttura eolica offshore più sostenibile e performante.

L’industria dell’energia eolica offshore è in crescita esponenziale. Pensate che negli ultimi dieci anni, il costo livellato dell’elettricità (LCOE) prodotta da impianti offshore è diminuito drasticamente, rendendola una delle fonti più competitive. E dato che le fondamenta possono rappresentare dal 25% al 34% dei costi totali di un impianto, trovare soluzioni più efficienti come queste è cruciale.

Si tende sempre più a installare turbine in acque più profonde, dove il vento è più costante e potente. Ma acque più profonde significano sfide operative e ambientali maggiori. Ecco perché la ricerca su fondazioni innovative è così vitale.

Validazione e Approfondimenti Numerici

Una cosa che mi ha colpito dello studio è la serietà con cui hanno affrontato la questione. Prima di lanciarsi nelle loro analisi, hanno validato i loro modelli numerici confrontandoli con i dati di test in centrifuga geotecnica disponibili in letteratura. Questo passaggio è fondamentale per assicurarsi che le simulazioni al computer rispecchino la realtà. Hanno usato software specializzati come Plaxis 3D, modellando il terreno (sabbia silicea in questo caso, con il modello di Mohr-Coulomb) e l’interazione tra la fondazione e il suolo.

Una volta validati i modelli, hanno esaminato il comportamento di monopali tradizionali e di fondazioni ibride con diversi diametri del cassone e del contenitore in acciaio (ad esempio, D = 11m e D = 15m). Hanno confrontato la rigidità della fondazione (laterale K_L, accoppiata K_LR, e rotazionale K_R), la capacità di carico laterale e di momento secondo i criteri dello stato limite di servizio (SLS – che impone, ad esempio, rotazioni massime ammissibili), e la risposta della fondazione sotto i carichi ambientali (vento e onde).

Un Incremento Notevole della Rigidità

I risultati hanno mostrato che le fondazioni ibride sono significativamente più rigide rispetto ai monopali semplici. E, come ci si potrebbe aspettare, aumentando il diametro (D) del cassone e del contenitore, la rigidità aumenta ulteriormente. Questo ha un impatto diretto sulla frequenza naturale del sistema turbina-fondazione. Una fondazione più rigida porta a una frequenza naturale più alta. Nello studio, la frequenza naturale del sistema con monopalo era di 0.333 Hz, mentre con la fondazione ibrida (D=15m) saliva a 0.363 Hz. Questo è importante per evitare fenomeni di risonanza con le frequenze delle onde o del rotore.

Maggiore Capacità di Carico e Resistenza ai Momenti

Quando si parla di capacità, i numeri sono impressionanti. Prendiamo il criterio di rotazione SLS di 0.25 gradi (un limite molto stringente):

• Il monopalo tradizionale aveva una capacità di momento di 244 MNm e una capacità di carico laterale di 14 MN.
• La fondazione ibrida con D=15m raggiungeva i 361 MNm di momento e 20.6 MN di carico laterale.

Si tratta di un aumento del 47-48%! Anche con un criterio di rotazione più “rilassato” di 0.50 gradi, i miglioramenti erano sostanziali (circa il 38% per il momento e il 34.5% per il carico laterale con D=15m). Questo significa che la fondazione ibrida può sopportare condizioni ambientali molto più severe o, in alternativa, permettere l’installazione di turbine più grandi e potenti sulla stessa “base”.

Meno Inclinazioni Pericolose Sotto Carichi Ciclici

I ricercatori hanno anche simulato l’effetto di un carico di vento monotonico seguito da cinque cicli di carico ondoso. Anche se cinque cicli sono pochi rispetto ai milioni che una turbina subisce nella sua vita (circa 10⁸ cicli in 20-25 anni!), servono a confrontare le prestazioni relative. Ebbene, dopo questi cicli:

• Il monopalo di riferimento aveva accumulato una rotazione di 0.006 radianti (0.34°) e uno spostamento di 0.12 m.
• La fondazione ibrida con D=15m mostrava una rotazione di soli 0.0029 radianti (0.165°) e uno spostamento di 0.0586 m.

Praticamente la metà! Questo dimostra come le fondazioni ibride siano più brave a “tenere botta” nel tempo, riducendo l’accumulo di deformazioni permanenti.

Retrofitting e Nuove Installazioni: Un Futuro Ibrido?

Questi risultati sono entusiasmanti non solo per le nuove installazioni, dove si potrebbe pensare di usare monopali più corti grazie al contributo del sistema ibrido, ma soprattutto per il retrofitting. Come dicevo all’inizio, ci sono già tanti monopali là fuori. Se le condizioni del fondale cambiano o se si vuole aumentare la vita utile della turbina, intervenire con un sistema ibrido potrebbe essere la chiave. Si eviterebbero costi di smantellamento e sostituzione enormi, potenziando l’esistente.

Certo, ci sono delle sfide. La costruzione e l’installazione di queste fondazioni ibride richiedono precisione, specialmente nel livellamento del fondale e nell’allineamento dei componenti. La protezione dall’erosione (scour protection) e il corretto posizionamento del materiale di zavorra sono essenziali. Inoltre, lo studio stesso riconosce alcune semplificazioni nei modelli numerici (come l’omissione di alcuni carichi dinamici operativi 1P e 3P, la semplificazione del vento come carico monotonico e la non inclusione delle interazioni fluido-struttura complesse) che potrebbero portare a una sovrastima della rigidezza e una sottostima delle deformazioni a lungo termine. Serviranno quindi ulteriori ricerche e test sul campo.

Conclusioni (Le Mie, Ovviamente!)

Da quello che ho potuto capire, le fondazioni ibride non sono solo un’idea campata in aria, ma una soluzione concreta e promettente. Offrono vantaggi significativi in termini di rigidezza, capacità di carico e stabilità a lungo termine. Immaginate l’impatto: turbine più efficienti, che durano di più, e costi di manutenzione potenzialmente ridotti. È un passo avanti importante per rendere l’energia eolica offshore ancora più competitiva e sostenibile.

Personalmente, trovo affascinante come l’ingegneria riesca a trovare soluzioni così innovative per problemi complessi. Combinare elementi esistenti in modi nuovi, sfruttando la modellazione numerica avanzata per predire il comportamento, è la strada giusta. Non vedo l’ora di vedere come questa tecnologia si evolverà e se diventerà uno standard nel settore. E voi, cosa ne pensate? Fatemelo sapere!

Fonte: Springer