Projektowanie i optymalizacja fundamentów turbin wiatrowych w kontekście opłacalności inwestycji w farmy wiatrowe.

08/03/2021

Nigdy wcześniej kwestia optymalizacji fundamentów pod elektrownie wiatrowe nie była tak aktualna jak obecnie w kontekście poszukiwania najlepszego modelu finansowania i jak największej opłacalności inwestycji w farmy wiatrowe. Decydując się na taki projekt, inwestorzy muszą z góry określić oczekiwaną stopę zwrotu i ramy czasowe inwestycji. Najczęściej finansowanie opiera się na aukcjach OZE, taryfach gwarantowanych (FiT), premii gwarantowanej (FiP), przetargach, zbywalnych zielonych certyfikatach (TGS), umowie zakupu energii lub kontraktach różnicowych (CfD).

W ostatnich latach coraz częściej słyszy się o inwestycjach bez dopłat, opartych wyłącznie na stałej cenie za wytworzoną energię, tzw. „Czarnej energii”.

Niezależnie od znalezienia najlepszego modelu rentowności farmy wiatrowej, w interesie każdego inwestora jest optymalizacja kosztów realizacji projektu. Im lepiej projekt farmy wiatrowej jest przygotowany, przemyślany i zaplanowany, tym więcej środków można zaoszczędzić. Największe obniżenie kosztów inwestycji można uzyskać na etapie realizacji projektu, w którym jednym z istotnych wydatków jest koszt samego fundamentu.

Optymalizacja fundamentu pod turbinę wiatrową  powinna być przede wszystkim dokonana racjonalnie, w oparciu o wiedzę i doświadczenie, ponieważ podstawowym celem musi być bezawaryjna konstrukcja. Presja marketingowa związana ze zdobywaniem zamówień nie może prowadzić do balansowania na granicy bezpieczeństwa.

Projektowanie fundamentów turbin wiatrowych jest jednym z najtrudniejszych zadań inżynierskich. Nie mogą być one projektowane przez inżynierów bez doświadczenia w tej wąskiej specjalności i bez odpowiedniej wiedzy związanej z wpływem wiatru, dynamicznymi obciążeniami zmiennymi i zmęczeniem materiału. Konieczne jest umiejętne łączenie
i dostosowywanie międzynarodowych wytycznych, zaleceń i wymagań producentów turbin, a także przepisów krajowych, warunków lokalnych i norm projektowych.

Za każdym razem inwestor staje przed dylematem, jak odpowiednio zbilansować środki przeznaczone na inwestycję w fazie projektowej. Należy mieć świadomość, że w kontekście optymalizacji posadowienia farm wiatrowych, dobre zrozumienie warunków gruntowych ma istotny wpływ na poszukiwanie najtańszego i technicznie uzasadnionego rozwiązania.

Spora ilość zmian merytorycznych

Projekt i optymalizacja turbiny wiatrowej, krok 1: Badanie gleby

Farmy wiatrowe są obiektami energetycznymi, a ich badania podłoża należy traktować w szczególny sposób. Dla takich obiektów należy wykonać szczegółowe badania geotechniczne oraz raport geologiczny wraz z zaleceniami eksperta. Obecny na budowie geolog ma najlepszy, rzeczywisty obraz lokalnych warunków gruntowych. Zaleca się przeprowadzenie prób polowych do głębokości równej około 1,5 pomnożonej przez średnicę fundamentu, przy czym najczęstsza głębokość wiercenia to około 20-25 m. Podczas prowadzenia badań gruntu należy wziąć pod uwagę stopień trudności współpracy fundamentu z gruntem.

Zaleca się, aby na podstawie badań terenowych i laboratoryjnych określić następujące parametry geotechniczne:

• rodzaj gruntu z podziałem na warstwy litologiczne,

• maksymalny poziom zwierciadła wód gruntowych,

• parametry opisujące właściwości fizyczne gleby,

• efektywne parametry wytrzymałościowe gruntu,

• moduły do ​​odkształceń statycznych i dynamicznych,

• Współczynnik Poissona.

Dobrą praktyką jest nie ograniczanie się do jednego konkretnego testu, szczególnie jeśli chodzi o parametry dynamiczne podłoża. Praktyka pokazuje, że wyniki badań mogą się znacznie różnić, dając niespójny obraz rzeczywistego profilu gruntu. Deweloperzy i inwestorzy farm wiatrowych, zlecając badania gruntu na etapie projektu budowlanego, często dysponują na ten cel ograniczonym budżetem. Różnica kosztów między szczegółowym a podstawowym badaniem gruntu to niewielka część całej inwestycji. Projekt, który będzie wynikiem dobrych badań, może przynieść za to nawet od 10% do 15% oszczędności w ostatecznym rozliczeniu. Dodatkowo należy pamiętać, że jeśli wiarygodność pomiarów naziemnych jest zbyt niska, to w kolejnej fazie trzeba będzie je powtórzyć i ponownie ponieść tego koszty. Oszczędności na etapie badań gruntu mogą przyczynić się do wzrostu środków finansowych na wykonanie fundamentów w rozliczeniu finalnym. Nieadekwatne parametry do rzeczywistych warunków powodują projektowanie zbrojenia gruntu lub palowania w przypadkach, w których można by uniknąć tego typu rozwiązań.

Projekt i optymalizacja turbiny wiatrowej, krok 2: Projekty

Zgodnie z ICE 61400-1 nominalna żywotność elektrowni wiatrowej wynosi 20 lat. Niekiedy na prośbę inwestora czas ten można wydłużyć w projekcie na przykład do 30 lat. W czasie budowy i użytkowania elektrowni wiatrowej konstrukcja fundamentu jest wytężona, że względu na warianty pracy: montaż, demontaż, rozruch, produkcja energii, ekstremalny wiatr (występowanie ok. 5 razy na 231 mln cykli), awaria i inne możliwe do wystąpienia zjawiska pogodowe i produkcyjne. Na podstawie tych przypadków określa się oddziaływania przenoszone na podłoże w postaci siły pionowej Fz, siły poziomej Fxy oraz momentów: skręcania Mr i wywracania Mxy.

Kombinacje obciążeniowe przenoszone na grunt to w szczególności:

• ekstremalny wiatr (50-letni podmuch),

• obciążenia awaryjne, nietypowa praca, usterka lub zniszczenie łopaty, łożyska itp.,

 • obciążenie quasi-permanent, brak oderwania fundamentu, w przypadku fundamentu posadowionego bezpośrednio lub brak sił rozciągających w palach.

Wszystkie te trzy przypadki w odpowiednich kombinacjach obliczeniowych mogą być wymiarujące wpływać na rozmiar i typ fundamentu oraz jego zbrojenie. Ponadto obciążenia zmęczeniowe mają istotny wpływ na ilość i kształt zbrojenia. W przypadku obciążenia quasi-permanent weryfikowana jest również statyczna i dynamiczna sztywność konstrukcji na obrót. Analiza ta ma na celu wykluczenie wystąpienia efektu rezonansu. Projektant geotechniczny powinien mieć dużą wiedzę na temat zachowania się gruntu wraz ze współpracującym fundamentem. To właśnie warunki gruntowe określone badaniami geotechnicznymi wpływają na ewentualną adaptację gruntu na przykład w postaci wzmocnienia kolumnami lub  palowania.

Prawidłowa analiza geotechniczna ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu i optymalizacji fundamentów turbin wiatrowych. Ze względu na niestandardową pracę tych konstrukcji poddanych zmiennym, cyklicznie występującym obciążeniom dynamicznym, interpretacja warunków gruntowych różni się od analizy standardowej. 

Oprócz aspektu dynamicznego, kluczowe znaczenie ma obecność wyporu wody. Fundamenty ze względu na obecność wyporu mogą różnić się od siebie pod względem objętości nawet o ponad 35%. Mając świadomość, jak duże znaczenie ma to dla kosztów inwestycji, w każdym przypadku zaleca się dokładne zbadanie poziomów wody gruntowej oraz sączeń, np. za pomocą piezometrów. Dodatkowo można odwołać się do badań i pomiarów archiwalnych z danego obszaru.

Zmienność warunków wodnych w czasie pracy elektrowni wiatrowej może okazać się dość duża. W tym kontekście istotna jest również analiza poziomów terenu i występujących naturalnych spadków powierzchniowych w kontekście ryzyka akumulacji wody. Jeśli to możliwe w danym przypadku, problem wyporności wody można ograniczyć skompensować poprzez podniesienie fundamentu. Oczywiście w takim rozwiązaniu należy wziąć pod uwagę szereg uwarunkowań międzybranżowych, takich jak decyzja środowiskowa, miejscowy plan zagospodarowania przestrzennego, decyzja lotnictwa cywilnego i wojskowego, wytyczne producenta turbiny, warunki montażu/instalacji turbiny i inne uwarunkowania lokalne. Należy mieć świadomość, że obciążenia wiatrem podawane przez dostawcę turbiny odnoszą się do określonej wysokości i jej zmiana poprzez podniesienie fundamentu może wpłynąć na wartość tych obciążeń ze względu na zwiększenie produktywności na większej wysokości.

W sytuacji, gdy grunt nie wykazuje dostatecznej nośności, konieczna jest jego modyfikacja w celu osiągnięcia wymaganych parametrów. Na przykład: poprzez wymianę gruntu pod fundament, zaprojektowanie fundamentu na palach lub bezpośrednie posadowienie na wzmocnieniu. W przypadku słabych warunków gruntowych, występujących do głębokości około 8-12 metrów pod poziomem gruntu, zwykle tańsze jest wzmocnienie podłoża. Palowanie jest najczęściej rozwiązaniem optymalnym w przypadku większych głębokości. Dobrą praktyką jest również uwzględnienie oczekiwań inwestora i prowadzenie aktywnego badania rynku w celu znalezienia opcji najlepszej technicznie, czasowo i ekonomicznie.

Fundamenty posadowione na kolumnach i fundamencie palowym różnią się od siebie co do zasady ich pracy. Oba te przypadki skutkują zupełnie innym podejściem do projektu, zmianą założeń i sprawdzeniem obliczeń. Warstwa transmisyjna w przypadku wzmocnienia gruntu kolumnami powoduje, że fundament i kolumny pracują niezależnie [rys. 5]. Pale połączone z fundamentem za pomocą zbrojenia stanowią jednolity i zintegrowany układ konsktrukcyjny.

Projektowanie i optymalizacja turbin wiatrowych: Podsumowanie

Wraz ze wzrostem doświadczenia i wiedzy projektowej rośną możliwości projektanta w odniesieniu do optymalizacji projektu fundamentu. Projektowanie fundamentów pod turbiny wiatrowe jest procesem złożonym i w przypadku trudnych warunków gruntowych wymaga ścisłej współpracy wielobranżowej. Należy pamiętać, że im lepsze rozpoznanie warunków gruntowych i lepsza współpraca projektantów konstrukcji i geotechniki tym fundament lepiej skrojony na lokalne uwarunkowania. Pożądany projekt i dobra realizacja gwarantują bezpieczeństwo techniczne, przynosząc równocześnie nawet kilka milionów euro oszczędności w przypadku dużych inwestycji.