Dezvoltarea unei pale dinamice pentru turbina eoliană

Un proiect de cercetare cu expertiza REHAU

Inspirat de natură

Fiecare creatură din regnul animal care folosește fluxuri de aer și curenți pentru a se deplasa, se bazează pe dinamică. Păsările își întind aripile larg și le rotesc, în timp ce peștii își înclină aripioarele și le mișcă pentru a se deplasa înainte sau în sus. Folosind bionica, oamenii au învățat cum să implementeze mecanismele naturii în evoluțiile tehnologice - avioane care își extind platformele de aterizare sau spoilere auto care se deplasează în funcție de viteza vehiculului.

Acest aspect l-a inspirat pe profesorul Helge Aagaard Madsen de la Universitatea Tehnică din Danemarca (DTU) să aplice dinamica și în cazul energiei eoliene. Siemens Gamesa a făcut deja primii pași către bionică, echipându-și palele rotorului cu „cozi dino” pentru a reduce zgomotul produs de turbulența aerului. REHAU lucrează în prezent la următoarea etapă de dezvoltare: dinamizarea.

Cu toate acestea, pala rămâne în cele din urmă statică. Într-un interviu, profesorul Madsen explică posibilitățile pe care le oferă dinamizarea energiei eoliene.

^{Interviu cu prof. Helge Aagaard Madsen, DTU, Danemarca}

^{Interviu realizat de Peter Michels, Project Manager și Cornelia Martin, Corporate Communications de la REHAU}

Domnule profesor Madsen, energia eoliană este o componentă integrală a mixului de energie regenerabilă. Ce posibilități vedeți în energia eoliană în special pentru furnizarea energiei electrice în viitor?

Mai avem multe de făcut pentru a acoperi cererea de energii regenerabile. Numai proporția de energie solară și energie eoliană trebuie să crească de la 4,5% în 2015 la aproximativ 60% în 2050 (Sursa: IRENA, 2018b)

Despre ce procentaj din mixul de energie electrică vorbim în Europa, acum și în viitor?

Conform scenariului central al WindEurope, ar trebui să instalăm 323 gigawați de energie eoliană în UE până în 2030. Aproximativ trei sferturi pe uscat și un sfert în larg. Asta ar însemna mai mult decât dublul capacității instalate la sfârșitul anului 2016 (160 GW). Această capacitate ar produce 888 TWh de energie electrică din energia eoliană, care reprezintă 30% din cererea de energie electrică a UE.

În 2018, ponderea medie a energiei regenerabile în Europa a fost de 14%. Cu 41%, Danemarca este pe primul loc, urmată de Irlanda cu 28% și Portugalia cu 24%. Germania este în prezent la aproximativ 14%.

Un factor crucial va fi dezvoltarea simultană a tehnologiilor care stochează sau economisesc energia produsă. De exemplu, folosind hidrogen.

De cât timp derulați cercetările și cum a apărut această colaborare între DTU, Siemens Gamesa și REHAU?

Din 2006 până în 2009, am efectuat cercetarea de bază la Universitatea Tehnică din Danemarca din Roskilde. La final, am putut demonstra în tunelul eolian că dinamizarea a contribuit la creșterea eficienței. În laborator, am putut demonstra că o formă variabilă a palei poate crește întregul randament energetic al unei turbine eoliene.

Martin Heisterberg, șeful REHAU Nordic, a citit despre proiect într-un articol de ziar și a luat legătura cu mine. Era momentul potrivit, deoarece proiectul nostru tocmai începea să își ia avânt. Având 1,2 milioane EUR din programul de finanțare danez EUDP, am căutat parteneri industriali care să dovedească fezabilitatea tehnică a proiectului.

Au lucrat și alte companii la această problemă?

Da. Au existat abordări teoretice începând cu anul 2000. Cu toate acestea, colegii noștri de cercetare nu au reușit să progreseze când a venit vorba de implementarea tehnică.

Ce a fost special la acest proiect?

Totul. A trebuit să regândim materialele, mecanica și producția. Nu exista nimic de care să ne putem agăța. Însă echipa REHAU a avut spirit de pionier să se lupte cu o sarcină „de nerezolvat”.

Noua suprafață a palei trebuia să fie dinamică, să reziste 25 de ani și să nu conțină metale, componente metalice, fire electrice sau electronice. De asemenea, întregul sistem trebuie să reziste fluctuațiilor masive de căldură și frig. Cerințele pentru turbinele eoliene moderne sunt uriașe.

Am obținut primul progres tehnic pentru un model cu flapsuri cu REHAU în toamna anului 2014 - o combinație flexibilă de profile de furtun care îndeplinea toate aceste cerințe stricte. Această soluție a fost compusă dintr-un profil care putea fi umflat (făcându-l dinamic) și furtunuri integrate care nu permiteau deplasarea flapsului decât cu tehnologie mecanică, folosind aer comprimat. Unitatea de direcție și generatorul de aer comprimat ar putea fi poziționate în butucul palei rotorului.

Prototipul flapsului a fost instalat într-un loc de testare în aer liber din Delft, Olanda, care a fost dezvoltat ca parte a proiectului. Aici, noua tehnologie a flapsului ar putea fi testată într-un context orientat spre practică. Testele au confirmat că prototipul flapsului a rezistat condițiilor reale de funcționare. Deci, lucruri precum sarcina centrifugă ridicată și reducerea fluctuațiilor de încărcare a aerului au fost și ele parte din cercetare.

Ați întâmpinat și obstacole?

Am fost încântați că REHAU a găsit un material care să reziste condițiilor extreme din joc. Cu toate acestea, inițial nu am avut adezivul potrivit pentru a-l conecta la puternicele pale Siemens. În cele din urmă am rezolvat problema aderenței prin co-extrudare de profil.

În cele din urmă, în 2018, am ajuns la turbina la scară largă pentru testele din teren. Atunci, un fulger a distrus întregul sistem, întârziând proiectul cu șase luni.

Care sunt beneficiile tehnologiei dezvoltate în acest proiect?

Pot numi patru criterii cheie:

Durabil și robust - pe orice vreme. Fără uzură mecanică
Ușor de integrat - chiar și în palele existente
Scalabil - pentru diferite lungimi ale palei (de la 60 la 100 de metri)
Atractiv din punct de vedere comercial - cu timpi de amortizare fiabili

De ce a fost atât de importantă experiența REHAU?

Echipa REHAU a reușit să surprindă esența din cercetarea noastră. Proiectul nostru a devenit și proiectul lor. Experiența lor în materiale, formulări și procese nu poate fi comparată cu nimic din ceea ce am văzut până acum. Cercetarea și dezvoltarea par a fi adânc înrădăcinate în ADN-ul REHAU.

Care sunt etapele următoare?

Pentru REHAU, proiectul de energie eoliană a intrat în a treia fază în toamna anului 2019. Această fază este condusă de Siemens Gamesa, iar comercializarea reprezintă acum factorul principal. Scopul este de a face turbine eoliene cu aproximativ 8% mai eficiente din punct de vedere energetic. Acest lucru echivalează cu încă 6 până la 15 gigawați, în funcție de dimensiunea turbinei.

^{1) IRENA 2019: PEISAJ INOVAȚIONAL PENTRU UN VIITOR BAZAT PE ENERGIE REGENERABILĂ: SOLUȚII PENTRU INTEGRAREA ENERGIILOR REGENERABILE VARIABILE
2) Energia eoliană în Europa: Scenarii pentru 2030, Septembrie 2017, Wind Europe}