Plovoucí větrné elektrárny: Jak je to s konstrukcí a provozem technologie budoucnosti

Instalovaný výkon větrných elektráren na vodních plochách v posledních letech zásadně narůstá. Využití maximálního potenciálu větrné energie na moři nicméně prozatím zůstává daleko za realitou. Významnou změnu by v tomto ohledu měly přinést turbíny s plovoucími konstrukcemi, které je možné instalovat v doposud nepřístupných příbřežních lokalitách. Následující článek představuje stručné představení technického řešení plovoucích vodních elektráren a hlavních výzev, se kterými je vývoj této technologie spjatý.

Hlavní důvod, proč se instalují a nadále vyvíjení plovoucí větrné elektrárny, je jednoduchý: kvůli neexistenci překážek je rychlost a proudění větru na moři dál od pevniny vyšší a stabilnější než na souši. Minimální rychlost větru nutná k tomu, aby větrná turbína začala vyrábět elektřinu se běžně pohybuje v rozpětí od 2,5-4,5 m/s dle velikosti turbíny. Na rozdíl od pozemních lokalit tento limit s přehledem splňuje velká část pobřežních lokací. Například průměrná rychlost větru ve vodách na severu Atlantského oceánu se pohybuje mezi 7,4 až 9,3 m/s.

Umístění dále od pevniny také minimalizuje vizuální dopad. Ten bývá častým důvodem odporu místních obyvatel. Většina výrobních a montážních prací se navíc provádí v přístavu a elektrárna je poté odtažena na určené místo. Není tak nutné přímo na moři provádět náročnou instalaci nosných nádob pomocí specializovaných montážních lodí. Pro instalaci plovoucích plošin jsou potřeba pouze přístavní remorkéry, které odtáhnou konstrukci na určené místo a zde je připevněna k úchytným ramenům.

Konstrukce a montáž plovoucích větrných elektráren. Zdroj: BusinessNorway

Umístění elektrárny, aneb jak je to s hloubkou a okolním prostředím

Obecně se předpokládá, že plovoucí větrné elektrárny budou instalovány v hloubkách, kam pevné základy z technických nebo ekonomických důvodů nedosáhnou. Hranice hloubky mezi pevnými a plovoucími větrnými elektrárnami však do budoucna nemusí být nutně stanovena.

Některé společnosti již studují nové konfigurace umožňující instalaci plovoucích plošin v relativně mělkých vodách. Konkrétně se jedná o místa, kde podmínky mořského dna představují riziko pro instalaci pevných plošin. V současné době je technicky proveditelné instalovat plovoucí plošiny mezi 60 a 300 metry.

Pro představu doposud nejhlouběji instalovaná větrná turbína, resp. její základy, s pevnou konstrukcí byla instalována v hloubce 58,6 metrů. Podle Globální rady pro větrnou energii (GWEC) nicméně asi 80 % světového potenciálu větrné energie na moři se nachází ve vodách hlubších než 60 metrů.

Oproti tomu větrné turbíny instalované v rámci projektu Hywind Tampen, který zahrnuje 11 turbín s celkovým instalovaným výkonem 88 MW a jedná se tak o největší flotilu plovoucích větrných elektráren na světě, jsou umístěny v lokalitě s hloubkou 260 až 300 metrů.

Kromě pozitiv v podobě vyšší produkce, jednodušší montáže a větší potenciální plochy pro instalaci jsou ale plovoucí vodní elektrárny spojeny i s mnoha výzvami. Ta hlavní se týká jejich vysoké pohyblivosti na vodní hladině. Vzhledem k proměnlivému počasí a proudům se může větrná elektrárna kývat a vzdalovat od svého kotviště. Dle údajů provozovatelů se dokonce může vzdálit 20 až 50 metrů od podvodního kotviště. K tomu navíc dochází i k neustálému pohybu po vertikále – nadzvedávání z důvodu existence vln. Takový pohyb vytváří problém především při řízení turbíny.

Aby vlivy okolního prostředí byly minimalizovány dochází k neustálému vývoji plovoucích konstrukcí a řídicích systémů. Ty mají za úkol dosáhnout stavu, kdy nebude docházet k významnému poškození nebo dokonce převrácení turbíny a bude zajištěna co možná nejdelší životnost celé elektrárny.

Druhy plovoucích konstrukcí a kotvení – různá řešení pro každé počasí

Plovoucí větrné elektrárny jsou stále považovány za technologii ve fázi vývoje. Podle agentury Fitch Solutions je zatím celosvětově v provozu jen něco málo přes 120 megawattů (MW). Tento stav by se nicméně měl v následujících letech dynamicky měnit.

Plovoucí pobřežní větrné farmy jsou tvořeny obrovskými turbínami instalovanými na plovoucích plošinách ukotvených k mořskému dnu pomocí pružných kotev, řetězů nebo ocelových lan. V tuto chvíli je ve vývoji 50 různých návrhů různých kombinací turbín a konstrukcí, přičemž v případě konstrukcí jsou dominantní celkem čtyři způsoby: konstrukce s nosnými bójemi, poloponorné plošiny, plošiny s napínacími rameny a plošiny s čluny.

• Konstrukce s nosnými bójemi (Spars): Konstrukční těžiště těchto konstrukcí je mnohem níže než jeho plovoucí těžiště a interakce gravitace a vztlaku se využívá k zajištění stability plošiny. Tento druh platformy je méně ovlivněn působením proudů a má lepší celkovou stabilitu. Avšak vzhledem k většímu objemu ponoru a jeho jedinému ponořenému sloupci, který je obvykle delší, má tento druh plošiny často specifické požadavky na hloubku vody. Obvykle je možné tuto konstrukci použít pouze v hloubkách větších něž 100 metrů.
• Poloponorné plošiny (Semi-submersible): Poloponorné plošiny jsou navrženy jako návěsy s rozmístěnými poloponornými plováky kolem turbíny. Díky těmto konstrukčním prvkům je možné ovládat působení gravitace a vztlak rozmístěných plováků, pokud je plošina vystavena působení mořského větru a proudům. Způsob ovládání této platformy je však komplikovanější, zejména v drsném mořském prostředí, a požadavky ovladače jsou náročnější.
• Plošiny s napínacími rameny (TLP): Nejnovější a v současnosti technicky nejriskantnějším konceptem je platforma ve tvaru hvězdicové geometrie. Platformy se dnes konstruují se třemi až pěti rameny a technické řešení je navrženo tak, aby plošina plula bez zatížení, tedy bez nainstalované větrné turbíny. Vztlak TLP plošin je mnohem větší než jejich tíha a dno plošiny je připojeno k pevné kotvě na mořském dně prostřednictvím napínací lan. Ty slouží pro následnou stabilizaci plošiny, která je stabilizována interakcí přebytečného vztlaku generovaného plošinou ve vodě a napětím lana, které celý systém vertikálně napíná. Podélná oscilace této plošiny je malá a její stabilita je dobrá. Napínací výztuž je však vystavena značnému napětí, které může způsobit poškození a vést k vážným nehodám na plošině.
• Plošiny typu člunů (Barge): Koncept je rozměrově podobný jako u lodi. Jinými slovy, nosník a délka konstrukce jsou výrazně větší než celkový ponor, tedy výška konstrukce. Plovoucí plošina má velkou plochu v kontaktu s vodou, což jí dává stabilitu. Stejně jako lodě jsou vyrobeny tak, aby se pohybovaly, aby se zabránilo nadměrnému namáhání konstrukce. Tento druh platformy se snadno instaluje a je méně nákladný. Je však citlivější na kolísání mořské hladiny a je méně stabilní. Pro minimalizaci těchto pohybů je plošina obvykle vybavena zvedacími deskami pod čarou ponoru. Navzdory těmto opatřením se konstrukce používá pouze ve vodách, kde není z historických data pozorované významné kolísání hladin ani proměny počasí.

Kotvy jsou navrhovány v závislosti na podobě mořského dna

Mimo technické řešení konstrukcí je pro plovoucí větrné turbíny klíčové řešení kotvy, tedy prvků, které spojují konstrukci s mořským dnem. Ty jsou navrhovány v závislosti na podobě mořského dna. Pokud je dno písčité a má vyvážené podloží, tak jsou jako nejvhodnější varianty používány kbelíkové konstrukce, které fungují na vytvoření tlakového základu.

V případě skalnatých podloží jsou jedním z možných technických řešení betonové konstrukce vybudované na mořském dně. Vzhledem k jejich dopadu na vodní ekosystému nicméně v posledních letech společnosti od takového řešení upouští.  To představuje například problém při instalaci TLP plošin, protože vyžadují pevné kotvení pro stabilizaci plošiny.

Čtyři základní konstrukce platforem pro plovoucí větrné elektrárny. Zdroj: Acteon

Řízení a provoz – nejen plovoucí konstrukce, ale i stabilizační zařízení

Vzhledem k již vzpomínaným obtížným povětrnostním podmínkám a proměnlivosti vodní hladiny, se další rozvoj technologie zaměřuje nejen na zdokonalování technického návrhu konstrukce, ale také na stabilizační techniku turbíny.

Plovoucí větrné turbíny kolísají nahoru a dolů a oscilují tam a zpět se změnou velikosti a frekvence vln. Proto jsou elektrárny náchylné k převrácení nebo zhroucení při drsnějším počasí a pro provozovatele je zásadní udržet stabilitu i při prudkých nárazech větru a rozbouřenosti vodní hladiny.

Řízení stability postoje plovoucích větrných turbín na moři se obvykle dosahuje pomocí strukturálního řízení. V závislosti na použité metodě lze schémata strukturálního řízení obecně rozdělit na pasivní, semi aktivní a aktivní řízení.

Extrémní pohyb při testování větrných turbín na rozbouřené hladině. Zdroj: RechargeNews

Při pasivním řízení jsou zjednodušeně okolní podmínky klidné a není potřeba do řízení nijak zasahovat. Semi aktivní řízení využívá k řízení obvykle tlumiče a pružiny, které jsou laděny regulačními algoritmy s uzavřenou smyčkou v reakci na dynamiku konstrukce.

Jednoznačně nejsložitější je pak aktivní řízení. To vyžaduje ovládací technologie určené ke snížení vibrací konstrukce. V současné době se ke stabilizaci plovoucích větrných turbín na moři široce používají laděné kapalinové tlumiče (TLD) a laděné hmotnostní tlumiče (TMD).

Rozdíl těchto technologií sloužících pro stabilizaci konstrukce a turbíny spočívá především v umístění tlumičů. Kapalinové tlumiče jsou obvykle instalovány na dně pobřežních větrných plošin. Využívají vlnové síly generované kolébáním vody v TLD k rozptýlení energie, a tak působí proti účinkům nevyvážených sil na větrnou turbínu.

Naopak hmotnostní tlumiče jsou obvykle instalované přímo v gondole větrné turbíny. Když je systém nevyvážený, může být poloha závaží v tlumiči řízena ovladačem, aby se změnilo těžiště systému.