In che modo la stampa 3D LFAM renderà le turbine da registrazione Haliade-X di GE ancora più potenti

Con un diametro delle pale che misura più di due campi da calcio, le turbine Haliade-X di GE Renewables sono già le più grandi e potenti al mondo, in grado di generare fino a 14 MW di energia. La possibilità di stampare in 3D la base in cemento della turbina in loco, per il trasporto diretto nella posizione finale in mare, consentirà di costruire e implementare sistemi ancora più grandi.

Questo approccio dovrebbe consentire la produzione di turbine eoliche molto più alte perché i produttori di turbine non saranno ostacolati dai limiti di trasporto: oggi, la larghezza della base non può superare i 4,5 metri per motivi di trasporto, il che limita l’altezza della turbina. Aumentando l’altezza, si può aumentare notevolmente anche la generazione di potenza per turbina: ad esempio, una turbina da 5 MW di 80 metri genera circa 15,1 GWh all’anno. La stessa turbina da 160 metri genererebbe 20,2 GWh all’anno, con un incremento del 33%. Come ci si aspetta che questa scala diventi ancora maggiore, con nuove turbine che raggiungono altezze di 260 metri e anche di più.

Il primo prototipo della turbina Heliade X è diventato operativo nel porto di Rotterdam, nei Paesi Bassi, poco più di un anno fa. È diventata la prima turbina eolica a produrre 288 megawattora di energia in 24 ore. Ciò è stato sufficiente per alimentare 30.000 famiglie in quella zona.

La nuova turbina offshore Haliade-X presenta una capacità di 14 MW, 13 MW o 12 MW, rotore da 220 metri, una pala da 107 metri e capacità digitali. Non è solo la turbina eolica più potente del mondo, ma presenta anche un fattore di capacità del 60-64% superiore allo standard industriale. Il fattore di capacità confronta quanta energia è stata generata con la massima che avrebbe potuto essere prodotta durante il funzionamento continuo a piena potenza durante un periodo di tempo specifico. Ogni punto incrementale del fattore di capacità rappresenta circa 7 milioni di dollari di entrate per il proprietario della turbina durante la vita di un parco eolico.

In ottobre la macchina, che è anche la più potente turbina eolica offshore attualmente in funzione, ha prodotto 312 megawattora di energia in un periodo di  sole 24 ore. Gli ingegneri di GE Renewable Energy hanno trascorso l’ultimo anno a raccogliere dati sul prototipo di Rotterdam al fine di ottenere un “certificato di tipo” completo per la macchina – verifica da un ente indipendente, DNV GL, che la nuova turbina funzionerà in modo sicuro, affidabile e conforme per progettare le specifiche. DNV GL ha assegnato tale certificazione all’offshore Haliade-X 12 MW.

“Questa è una pietra miliare per noi in quanto offre ai nostri clienti la possibilità di ottenere finanziamenti al momento dell’acquisto di Haliade-X”, ha affermato Vincent Schellings, che guida lo sviluppo della turbina per GE Renewable Energy. “Il nostro obiettivo continuo è fornire loro la tecnologia di cui hanno bisogno per guidare la crescita globale dell’eolico offshore poiché diventa una fonte di energia rinnovabile sempre più conveniente e affidabile”. È un buon affare: l’Agenzia internazionale per l’energia ha previsto che gli investimenti cumulativi nell’eolico offshore raggiungeranno i mille miliardi di dollari entro il 2040.

La certificazione è arrivata poco dopo che una parte costitutiva della turbina – la sua pala lunga 107 metri, che supera la lunghezza di un campo da calcio – ha ricevuto la propria certificazione di componente. Il processo di certificazione dell’Haliade-X 12 MW ha comportato test separati delle sue lame, presso strutture negli Stati Uniti e nel Regno Unito, e test che hanno coinvolto il prototipo a Rotterdam.

GE ha progettato l’Haliade-X per generare 12 megawatt, ma i test a Rotterdam hanno rivelato che potrebbe superare i suoi obiettivi originali, per un totale di 13 megawatt. La nuova certificazione di tipo coinvolge nello specifico i 12 MW; è attualmente in corso il collaudo del prototipo di Rotterdam alla potenza di 13 MW, con certificazione separata prevista nella prima metà del 2021.

Il prossimo dopo quella pietra miliare? Installazione. GE Renewable Energy ha firmato il primo contratto per la Haliade-X 13 MW, accettando di fornire 190 delle macchine a Dogger Bank A e Dogger Bank B, le prime due fasi di quello che dovrebbe essere il più grande parco eolico offshore del mondo, situato in il Mare del Nord, a circa 130 chilometri dalla costa inglese dello Yorkshire. Previsto per il completamento nel 2026, si prevede che la fattoria sarà in grado di generare 3,6 gigawatt di energia elettrica, sufficienti per fornire 4,5 milioni di famiglie del Regno Unito.

Le sfide associate alla produzione di turbine eoliche più grandi non si fermano alla base. Le pale lunghe più di 100 metri devono anche essere prodotte come una singola parte – non possono essere assemblate da più sezioni – e la resistenza della plastica rinforzata con fibra di vetro sta raggiungendo i suoi limiti fisici nel resistere a forze del vento sempre più grandi.

Oggi le lame sono prodotte utilizzando stampi estremamente costosi e avanzati che non sono solo estremamente grandi ma devono anche essere molto complessi per consentire un raffreddamento e una polimerizzazione efficaci della lama rinforzata con fibra di vetro. In futuro, le tecnologie di stampa 3D composita di grande formato potrebbero consentire una produzione più conveniente di questi stampi per lame e, forse, anche la produzione diretta di lame rinforzate con fibra di carbonio lunghe più di 100 metri. Chiaramente, queste funzionalità non sono disponibili oggi, ma aziende come Ingersoll e Thermwood hanno dimostrato che non vi è alcun limite intrinseco alle dimensioni dei sistemi di stampa 3D compositi di grande formato.

Nel 2018, l’ufficio delle tecnologie per l’energia eolica e l’ufficio di produzione avanzata del Dipartimento per l’energia degli Stati Uniti avevano collaborato con un’altra società di stampa 3D composita di grande formato, Cincinnati Inc, per applicare la produzione additiva alla produzione di grandi stampi per pale eoliche.

La stampa 3D è stata vista come un’opzione molto interessante per prodotti di grandi dimensioni come le pale delle turbine eoliche, che richiedono molta manodopera, principalmente eseguita con il lavoro manuale di deposizione di grandi quantità di materiale composito, rendendo gli stampi stessi piuttosto costosi e tempestivi da realizzare.

Nel settore dell’energia eolica, l’uso della produzione additiva per produrre direttamente pale personalizzate da CAD potrebbe anche significare pale di turbine eoliche ottimizzate per torre in un parco eolico. Ciò significa che le pale di ciascuna turbina potrebbero un giorno essere ottimizzate per la posizione individuale, i modelli di vento e turbolenza in ogni posizione dell’azienda agricola e in ogni diversa fattoria. La produzione additiva è la tecnologia che rende tutto questo possibile a un prezzo inferiore e con tempi di consegna più brevi.

Questo non accadrà presto, AM presenta ancora limiti significativi in ​​termini di densità e qualità del materiale finale, ripetibilità del processo e costi. Senza contare che le tecnologie per produrre oggetti così grandi come un unico componente non sono ancora state sviluppate. Tuttavia, se le turbine diventeranno sempre più grandi (e lo saranno), i loro processi di produzione dovranno necessariamente includere la stampa 3D.