O echipă de ingineri din Germania a construit cea mai înaltă turbină eoliană din lume, depăşind turnul Eiffel pentru a-i dubla randamentul printr-o soluţie genială

Turbinele eoliene de uscat au aproape întotdeauna un randament mai mic decât cele maritime. Sunt mai simplu de instalat de obicei, dar vânturile pe uscat sunt oricum mai puţin puternice decât cele din larg. Asta a făcut ca în timp cele mai mari şi mai productive turbine eoliene să fie cele maritime, cu puteri de 15 MW, 16 MW ba chiar 20 MW sau mai mult în unele încercări din China. Aceste turbine maritime au şi cele mai mari diametre ale elicei lor, pentru a capta cât mai mult din vântul disponibil şi a da un randament mai mare în raport cu investiţiile făcute în operaţiunea de a fixa un turn de fundul mării şi a spaţiului ocupat. Pe uscat, turbine eoliene au adeseori nu doar puteri mai mici, de 3-6 MW, cu valori ce trec mai sus de atât apărute abia în ultimii ani, ci şi un factor de capacitate mult mai mic, aproape la jumătate în multe cazuri. Ei bine, o echipă de ingineri din Germania a construit de curând, pe parcursul unui întreg an, cea mai înaltă turbină eoliană din lume, mai înaltă decât turnul Eiffel, pentru a-i dubla randamentul doar datorită înălţimii.

Turnul Eiffel e întotdeauna o comparaţie foarte bună pentru a înţelege scara acestor construcţii, întrucât are 300 metri înălţime şi e uşor de imaginat sau amintit. Iar în lumea turbinelor eoliene maritime, acest nivel a fost deja depăşit, ba chiar în 2023 scriam că un producător din China anunţase o turbină eoliană cui diametru de 310 metri, unde doar diametrul elicei era mai mare decât turnul Eiffel, nemaivorbind şi de metrii în plus aduşi de turn. Dar acolo vorbeam de turbine eoliene maritime, şi Chinei i-a mai luat încă doi ani după asta să pună în aplicare asemenea diametre, după cazuri în care palele turbinelor de test s-au rupt. Orice pală care captează forţa vântului va avea o solicitare mult mai mare odată cu creşterea lungimii sale, din cauza braţului tot mai lung al forţei.

Foto: Dimensiunile turbinei chinezeşti menţionate mai sus în comparaţie cu turnul Eiffel

Ceea ce au conceput şi construit inginerii germani în cazul despre care vorbim azi e foarte diferit ca abordare de principiu. Echipa de ingineri despre care vorbim e parte din Gicon, un birou de inginerie multidisciplinară din Germania, fondat în 1994, care are şi o experienţă mare în energia eoliană. Aceştia au pornit de la ideea genial de simplă că la o altitudine mai mare de la suprafaţa pământului viteza medie a vântului e mult mai mare, iar asta ar ridica foarte mult factorul de capacitate al unei turbinei eoliene.

Echipa de ingineri a calculat că ar putea dubla factorul de capacitate al turbinei dacă ar monta turbina eoliană pe un turn de 300 metri înălţime. Nicio turbină vândută azi în lume, însă, nu vine cu un turn atât de înalt. Nici dacă s-ar dori comandarea unuia personalizat, n-ar fi posibilă livrarea lui pentru că la 300 metri apare aceeaşi problemă a braţului forţei mult mai lungi, prin urmare şi turnul ar trebui să fie mai mare în diametru, cu pereţi mai groşi, mai similar turbinelor maritime, iar asta ar însemna o proiectare de la zero, care ar costa foarte scump la un producător convenţional de turbine eoliene. Tocmai de asta, ingineri de la Gicon au fost cei care au preluat această sarcină, dorind să menţină costurile mici, pentru ca ulterior acest prim proiect să poată fi replicat uşor şi ieftin în serie.

Producţia componentelor de turbine eoliene la Vestas, în imagine fiind ilustrate palele unei turbine eoliene maritime

Ceea ce au făcut ei a fost să preia o turbină eoliană obişnuită, de serie, cu un randament de producţie deja foarte cunoscut, iar în locul turnului original, au proiectat un turn dintr-un soi de schelet de oţel, foarte apropiat ca formă şi concept cu turnurile metalice care susţin liniile electrice aeriene de înaltă tensiune.

Folosirea unui asemenea turn a rezolvat două probleme majore, una dintre care era de nedepăşit. Chiar dacă s-ar fi comandat un turn foarte scump de turbină eoliană în forma sa clasică, nu există nicio macara în lume, care să poată ridica nacela la 300 metri deasupra solului, pentru a o monta. Limitările celor mai mari macarale ajung de obicei la 235-245 metri, iar singura macara care atinge 274 metri e una pe bază inelară, proiectată de Mammoet. Nici capacităţile ei n-ar fi fost suficiente, chiar dacă se plăteau costurile imense ale relocării ei şi montării în acest loc, pentru o singură turbină.

Inginerii Gicon au conceput, însă, turnul lor metalic ca unul telescopic, format efectiv din două segmente de până la aproximativ 160-170 metri. Ne putem imagina construcţia exterioară ca un trunchi de piramidă patrulateră la bază, iar în interiorul ei avem o altă piramidă patrulateră la bază, dar completă până la vârf.

Pe vârful piramidei din interior se montează nacela şi turbina, la o înălţime de sub 170 metri deasupra solului.

Baza acestei piramide e egală în dimensiuni cu vârful trunchiului de piramidă din exterior. Iar după montarea turbinei are loc operaţiunea genială, prin care piramida interioară e ridicată în interiorul trunchiului mare, până când baza piramidei interioare ajunge exact la vârful trunchiului exterior. În acel moment cele două componente sunt fixate într-o asemenea poziţie şi formează turnul final unitar al turbinei eoliene, turn care are 300 metri înălţime de unul singur, iar dacă luăm în considerare palele turbinei, înălţimea totală ajunge la 365 metri!

Inginerii au ales în mod intenţionat un model de serie de turbină eoliană, pentru a putea compara şi demonstra rezultatele obţinute de turnul mai înalt, în comparaţie cu alte turbine identice, montate la înălţime standard, în aceeaşi regiune, cu vânt similar.

Modelul de turbină eoliană ales e Vensys 126, o turbină eoliană germană, de 3,8 MW putere, cu un diametru al turbinei de 126,2 metri. Jumătate din diametru înseamnă cam 63,1 metri, de aici vine şi înălţimea totală de 365 metri a construcţiei, montate pe turnul de 300 metri.

Turbina e proiectată cu parametri relativ uzuali, având o viteză minimă a vântului de 3,0 m/s, la care începe a funcţiona şi o viteză maximă de 25 m/s. Generatorul ei e unul sincron cu magneţi permanenţi, fără cutie de viteze, în ceea ce numim direct drive de obicei.

Pentru a susţine turbina şi forţa unui asemenea vânt la 300 metri altitudine, turnul are 48 metri în latura sa la bază şi cântăreşte 2.000 tone de oţel, fiind format din 22.000 componente separate.

Foto: Fundaţia unuia din cele 4 puncte de susţinere a turnului la bază

Acestea au fost ridicate pe segmente, folosindu-se o macara târâtoare uriaşă Liebherr LR 11350, de 1.350 tone, care poate ridica obiecte la o înălţime de până la 220 metri, furnizată şi operată de compania germană Schmidbauer.

Foto: Privire de sus a bazei turnului

La un moment dat, această macara uriaşă a ridicat un segment de 350 tone al turnului la aproape 100 metri înălţime, operatorii menţionând atunci că probabil această ridicare constituie un record pentru macaraua Liebherr LR 11350 de combinaţie a greutăţii şi înălţimii.

Ei bine, partea cea mai interesantă a acestui proiect vine din randamentul pe care-l estimează inginerii. În mod normal, viteza medie anuală a vântului în zonele favorabile parcurilor eoliene din Germania e cuprinsă între 5,5 şi 6,5 m/s. Producătorul turbinei, Vensys, indică o producţie anuală de 7,83 GWh la o viteză medie de 5,5 m/s, una de 9,47 GWh la o viteză medie de 6,0 m/s şi una de 11,08 GWh la o viteză de 6,5 m/s. Asta înseamnă un randament, sau factor de capacitate în termeni eoliene, de 23,5% la 5,5 m/s, de 28,45% la 6,0 m/s şi 33,3% la o viteză medie anuală de 6,5 m/s.

Noua construcţie se află în parcul Klettwitz de testare a turbinelor eoliene din Germania şi e una mai apropiată de viteze medii din Germania, deci cu o viteză medie anuală de 6,0 m/s la înălţime standard, ceea ce însemna că pe un turn normal, turbina ar fi avut un factor de capacitate de 28,45% şi ar fi produs 9,47 GWh de electricitate anual.

Inginerii Gicon, însă, au calculat că la înălţimea de 300 metri la care au montat-o, turbina va produce efectiv dublul electricităţii, cu o producţia anuală estimată la 18 GWh. Asta înseamnă un factor de capacitate de 54,1%, cu aceeaşi turbină, doar datorită ridicării ei la 300 metri înălţime.

Se obţine, astfel, un factor de capacitate similar turbinelor maritime, dar pe uscat, aplicându-se soluţia simplă a unui turn de oţel mai ieftin şi mai simplu, inspirat din liniile electrice. Simplu vorbind, folosind aceeaşi suprafaţă de teren la sol şi aceleaşi turbine, se dublează producţia de electricitate!

Şi aceste cifre de producţie, enunţate acum de ingineri, nu sunt doar nişte calcule teoretice. Ei au construit anterior un turn mic cu instrumente de măsurare a vântului la altitudine de 300 metri, pe care l-au menţinut un an pentru a calcula viteza medie. Prin urmare, calculele lor e bazează pe măsurări realiste. Iar acum odată ce instalarea noii turbine va fi definitivate şi ea va fi conectată la reţea, producţia ei va fi contorizată în decursul a un an, pentru a avea şi cifrele de facto ale producţiei de electricitate. După asta, Gicon va intra în etapa de producţie de serie a acestei idei, creând efectiv o nouă specializare a turbinelor eoliene montate la mare înălţime în energia eoliană terestră.