Πλωτοί υπεράκτιοι αιολικοί σταθμοί. Οι τεχνικές προκλήσεις τους στην Ελλάδα

Στις 06/09/2021, η μισή ζήτηση σε ηλεκτρική ενέργεια στην Ελλάδα καλύφθηκε από αιολικούς σταθμούς. Η εικόνα αυτή αποτυπώνει τη σημαντική διείσδυση της αιολικής ενέργειας στο ενεργειακό μίγμα της χώρας καταδεικνύοντας την ανάγκη για συνέχιση των  επενδύσεων στον τομέα. Καθότι όμως οι απομένουσες βουνοκορφές στις περιοχές αιολικής προτεραιότητας που προσφέρουν συντελεστές απόδοσης (CF) πάνω από 30% σπανίζουν πλέον ή βρίσκονται αρκετά μακριά από το ηλεκτρικό δίκτυο, το ενδιαφέρον στρέφεται στην εκμετάλλευση του θαλάσσιου αιολικού δυναμικού, το οποίο διατίθεται με περίσσεια στη χώρα μας.

Ο αναμενόμενος νομοθετικός καθορισμός του πλαισίου ανάπτυξης και το σχήμα υποστήριξης στον τομέα των υπεράκτιων αιολικών σταθμών εκτιμάται πως θα ανοίξει τον δρόμο για την ταχεία εξέλιξη των εν λόγω έργων. Τα πλεονεκτήματα των υπεράκτιων αιολικών όπως η καμπύλη διάρκειας ανέμου και η στρωτή ροή είναι ήδη γνωστά, όμως οι περιορισμένες αβαθείς εκτάσεις των ελληνικών θαλασσών καθιστούν την υιοθέτηση της τεχνολογίας πλωτών αιολικών σταθμών μονόδρομο, με συνακόλουθο την ανάγκη αντιμετώπισης των τεχνικών προκλήσεων που προκύπτουν για τη νέα αυτή τεχνολογία, η οποία ολοκληρώνει τώρα το πειραματικό στάδιο έρευνας και ανάπτυξης και αναμένεται να είναι πλήρως εμπορικά διαθέσιμη έως το 2024. 

Το άρθρο αυτό παρουσιάζει τις βασικές τεχνικές αρχές των πλωτών αιολικών, εξετάζει τα κύρια χαρακτηριστικά αλλά και δυσχέρειες στην κατασκευή αυτών και εντοπίζει τους τομείς στους οποίους θα πρέπει να δοθεί βαρύτητα από τα ενδιαφερόμενα μέρη.

Από την έρευνα της NREL (Stehly et al, 2020) σχετικά με την κατανομή του κόστους χερσαίων και πλωτών αιολικών, προκύπτει πως ενώ στα χερσαία αιολικά το 69% του κόστους άγεται προς τις ανεμογεννήτριες και 22,7% προς τα συνοδά έργα (BOS), στα πλωτά αιολικά οι ανεμογεννήτριες αποτελούν κάτω από το ένα τέταρτο του κόστους (24,4%) και τα συνοδά έργα το 60,8%, εκ του οποίου σχεδόν το μισό αντιπροσωπεύει την υποδομή και θεμελίωση και το ένα τρίτο σχεδόν την ηλεκτρική υποδομή. Συνάγεται επομένως πως από το αυστηρά ελεγχόμενο εργοστασιακό περιβάλλον κατασκευής της ανεμογεννήτριας και το ευχερώς επιβλεπόμενο εργοταξιακό περιβάλλον οδοποιίας και θεμελιώσεων, δημιουργείται η ανάγκη για εκτέλεση των εργασιών στο μη ελεγχόμενο θαλάσσιο περιβάλλον. Καθίσταται επιτακτικότερη από ποτέ επομένως η ανάγκη για διασφάλιση της ποιότητας κατασκευής λόγω των ιδιαιτεροτήτων τόσο της τεχνολογίας όσο και του περιβάλλοντος εκτέλεσης των έργων.

Προκειμένου να γίνουν ευκολότερα κατανοητά τα χαρακτηριστικά των πλωτών αιολικών, ακολουθεί μια συνοπτική περιγραφή των επικρατέστερων γνωρισμάτων τους.

Οι ανεμογεννήτριες που εγκαθίστανται στους υπεράκτιους αιολικούς σταθμούς είναι εξειδικευμένες για λειτουργία σε θαλάσσιο περιβάλλον (offshore type), με αυξημένη προστασία από διάβρωση, κόπωση, κεραυνοπληξία και βιολογικές εναποθέσεις των υφάλων, ενώ εγκαθίστανται είτε σε θεμελίωση στον πυθμένα (για βάθη έως 60μ) είτε επάνω σε υποδομή από πλωτές πλατφόρμες. 

Η υποδομή που συναντάται στην πλειονότητα των πλωτών έργων είναι των ακόλουθων τύπων:

• Πασσάλου (Spar Buoy) που επιτυγχάνει ισορροπία με έρμα (Ballast Stabilized)
• Φορτηγίδας ή Ημιβυθιζόμενος (Barge – Semi-submersible) που επιτυγχάνουν ισορροπία με πλευστότητα (Buoyancy Stabilized)
• Πλατφόρμα Προεντεταμένων Σκελών (Tension Leg Platform – TLP) που επιτυγχάνει ισορροπία με γραμμή πρόσδεσης (Mooring Line Stabilized)

Τα κύρια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των διαφόρων τύπων υποδομής σχετίζονται με την ευκολία επίτευξης σταθερότητας και απόσβεσης ταλαντώσεων, με τη δυνατότητα συναρμολόγησης και επανεισόδου σε λιμάνια για συντήρηση, με την ευκολία πρόσδεσης και αποσύνδεσης και με τις απαιτήσεις αγκύρωσης.

Επιπλέον, αναπτύσσεται πλήθος ενδιάμεσων ή υβριδικών συστημάτων, προκειμένου να τύχουν εκμετάλλευσης τα πλεονεκτήματα δύο συστημάτων, χωρίς να επιβαρύνεται από τα αντίστοιχα μειονεκτήματα.

Η κατασκευή των πλωτών αιολικών σταθμών απαιτεί πλήθος κατασκευαστικών εργασιών σε ναυπηγεία κοντά στην περιοχή εγκατάστασης, όπου λαμβάνει χώρα η κατασκευή ή συναρμολόγηση της υποδομής, ενώ η σύνδεση υποδομής – ανεμογεννήτριας υλοποιείται σε κατάλληλα διαμορφωμένα λιμάνια πλησίον της περιοχής εγκατάστασης όπου υπάρχει αφενός επαρκές βάθος και αφετέρου εξοπλισμός σε χερσαίους και πλωτούς γερανούς, οι οποίοι θα μπορούν να την υλοποιήσουν. Η ανεμογεννήτρια ανεγείρεται επομένως εν πλω και η όλη κατασκευή ρυμουλκείται έως την περιοχή του αιολικού και συνδέεται με το ηλεκτρικό δίκτυο.

Καθότι πλωτές οι κατασκευές, θα πρέπει να διασφαλίζεται πως δεν θα μετακινούνται από τη θέση εγκατάστασης περισσότερο από όσο επιτρέπει η αντίστοιχη υποδομή, όπως τα διασυνδετικά καλώδια. Αυτό επιτυγχάνεται με τα συστήματα διατήρησης θέσης, τα οποία είναι κατά κανόνα παθητικά και ο τρόπος πρόσδεσης κατατάσσεται σε τρεις κύριες κατηγορίες:

• Αλυσοειδής αγκύρωση (Catenary mooring)
• Ημι-τεταμένη και Τεταμένη αγκύρωση (Semi-taut/ taut lines)
• Προεντεταμένα σκέλη (Tendon Legs)

Ο πρώτος τύπος πρόσδεσης είναι ο απλούστερος και οικονομικότερος, με το μειονέκτημα όμως της μεγάλης ανοχής όσον αφορά στη θέση, καθότι αυτή μετατοπίζεται ανάλογα με τους επικρατούντες ανέμους και την ένταση αυτών. Μεγαλύτερη σταθερότητα προσφέρουν οι Ημι-τεταμένη και Τεταμένη πρόσδεση, η οποίες ωστόσο απαιτούν βελτιωμένα συστήματα αγκύρωσης και δυσκολία στη σύνδεση και αποσύνδεση της πλατφόρμας. Τέλος, λόγω της τάνυσης, ο τρόπος πρόσδεσης προεντεταμένων σκελών, παρουσιάζει ιδιαίτερα αυξημένες απαιτήσεις αγκύρωσης, αλλά και δυσκολία για τη σύνδεση και αποσύνδεση.

Η αγκύρωση στον πυθμένα υλοποιείται ανάλογα με τις αναπτυσσόμενες εντάσεις, απαιτήσεις και ιδιαιτερότητες του συστήματος υποδομής, αλλά και τη γωνία της γραμμής πρόσδεσης, όπως επίσης και των γεωτεχνικών χαρακτηριστικών του βυθού.

Υπάρχει επομένως μεγάλο πλήθος δυνατών συνδυασμών ενώ καθότι δεν έχει επιτευχθεί το τεχνικό επίπεδο της δοκιμασμένης και σίγουρης λύσης και η τεχνολογία βρίσκεται στο στάδιο της ανάπτυξης, δεν έχει ακόμη προσδιοριστεί το σύνολο των ιδιαιτεροτήτων που θα χρήζουν επισταμένης προσοχής κατά το σχεδιασμό και την κατασκευή. Στην κατεύθυνση αυτή, έχει κατασκευαστεί μεγάλο πλήθος πειραματικών εγκαταστάσεων (pilot sites) με διάφορες τεχνικές προσεγγίσεις για τη συγκέντρωση στοιχείων, που προάγουν την έρευνα και ανάπτυξη στον εν λόγω τομέα. Χαρακτηριστικά παρατίθεται ο πίνακας των εγκατεστημένων/απεγκατεστημένων έργων από την αναφορά του (Carbon Trust, 2021), στον οποίο αποτυπώνεται η αφθονία των διαφορετικών τεχνικών λύσεων (Concepts) που έχουν εξεταστεί. Επιπλέον, δύο μόλις έργα (Hywind και Windfloat Atlantic 2) και το αναμενόμενο Kincardine Phase 2 (θα) έχουν εγκατεστημένη ισχύ πάνω από 10MW και θα μπορούσαν να ονομαστούν εμπορικές εκμεταλλεύσεις.

Τάξη στην ύπαρξη των διαφόρων προσεγγίσεων κλήθηκε να δώσει η τεχνική επιτροπή 88 (TC88) της Διεθνούς Ηλεκτροτεχνικής Επιτροπής (IEC), εκδίδοντας το πρότυπο IEC TS 61400-3-2:2019 Wind energy generation systems - Part 3-2: Design requirements for floating offshore wind turbines, στο οποίο καταγράφονται οι απαιτήσεις σχεδιασμού πλωτών αιολικών σταθμών. 

Η υιοθέτηση του προτύπου από τους κατασκευαστές αναμένεται να οδηγήσει σε αξιόπιστες τεχνικές λύσεις, ενώ το παράρτημα C του προτύπου καθοδηγεί για τον υπολογισμό των υδροδυναμικών φορτίων, για τα οποία τα μοντέλα επίλυσης βρίσκονται ακόμη σε στάδιο ανάπτυξης, σε αντιδιαστολή με τα τετριμμένα μοντέλα επίλυσης στατικών και δυναμικών φορτίσεων θεμελίων ανεμογεννητριών στη στεριά. Η αγορά καλείται πλέον να αναπτύξει αξιόπιστα εργαλεία προσομοίωσης και μοντελοποίησης των φορτίσεων πλωτών ανεμογεννητριών, ώστε να διασφαλίσει τη δομική ακεραιότητα κατά τη διάρκεια της παραγωγικής τους ζωής. 

Επιπλέον, η Ελλάδα καλείται να αναπτύξει υποδομές σε λιμάνια και ναυπηγεία, όπως επίσης και να εξοπλίσει τον στόλο της με πλωτά μέσα μεταφοράς, ανέγερσης και αγκύρωσης υπεράκτιων πλατφορμών και ανεμογεννητριών, αλλά και πόντισης υποβρυχίων καλωδίων, προκειμένου να ανταποκριθεί στην αναμενόμενη ταχεία ανάπτυξη του κλάδου μέσα στην επόμενη τριετία.

Οι υλοποιούμενες εργασίες θα απαιτήσουν πλήθος ειδικοτήτων που μέχρι πρότινος απασχολούνταν στη ναυπηγοεπισκευαστική ζώνη, ενώ η TÜV Hellas – TÜV Nord, φορέας πιστοποίησης με παρουσία στην Ελλάδα από το 1987, παρέχει υπηρεσίες πιστοποίησης προσώπων επιβεβαιώνοντας την τεχνική επάρκεια των ειδικευμένων τεχνιτών. Επίσης, μέσω των πιστοποιήσεων ηλεκτροσυγκολλητών, μεθόδων συγκόλλησης και επιθεωρήσεων συγκολλήσεων, αλλά και με την υλοποίηση δοκιμών παραλαβής στο εργοστάσιο και το εργοτάξιο (FAT και SAT tests) μπορεί να διασφαλίζει την αρτιότητα των υλοποιούμενων εργασιών και του εξοπλισμού. Επιπλέον, έχοντας εμπλακεί στις τεχνικές επιθεωρήσεις και αξιολογήσεις επενδύσεων στον τομέα των ανανεώσιμων τα τελευταία 11 χρόνια και έχοντας συμμετάσχει ενεργά στα μεγαλύτερα ενεργειακά έργα της χώρας, αποτελεί πολύτιμο συνεργάτη τόσο των επενδυτικών όσο και των χρηματοδοτικών οργανισμών που εμπλέκονται στις επενδύσεις αυτού του τύπου. 

Σημειώνεται περαιτέρω πως ο μητρικός οργανισμός TÜV Nord, με τεχνογνωσία προερχόμενη όχι μόνο από τις εγκρίσεις τύπου πολλών τύπων ανεμογεννητριών τόσο χερσαίων όσο και υπεράκτιων, είναι ήδη διαπιστευμένος κατά IEC (TS) 61400-3-2 αλλά και IECRE OD 501 και OD 502. Είναι επίσης ενεργό μέλος ερευνητικών έργων όπως το FLOATECH και το World Forum Offshore Wind (WFO) αλλά και της επιτροπής Floating Offshore Wind Committee (FOWC) και έχει ήδη επιθεωρήσει πλήθος υπεράκτιων αιολικών σταθμών. 

Η TÜV Hellas προετοιμάζεται να ανταποκριθεί στις αυξανόμενες και εξειδικευμένες απαιτήσεις των πλωτών αιολικών σταθμών ενώ με τη συνεισφορά και την τεχνογνωσία του μητρικού οργανισμού θα αποτελέσει για μία ακόμη φορά αρωγό των προσπαθειών επενδυτικών και χρηματοδοτικών οργανισμών να συνδράμουν στον κοινό στόχο της επίτευξης ουδέτερου ισοζυγίου άνθρακα.

*Ο Νίκος Πατσόπουλος είναι Πολιτικός Μηχανικός ΕΜΠ, επιθεωρητής της διεύθυνσης ΑΠΕ της TÜV HELLAS (TÜV NORD).

23 Σεπτεμβρίου 2021

energypress