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Controllo del passo per turbine eoliche tre volte più affidabili

Sezione della turbina eolica che mostra Moog Pitch System 3 in funzione. Sezione della turbina eolica che mostra Moog Pitch System 3 in funzione.

Applicato di recente a una centrale eolica in Brasile, anche grazie a un’architettura semplificata il sistema di controllo Pitch System 3 di Moog ha dimostrato di riuscire a ridurre i guasti e il downtime causati da sistemi del passo complessi. Operatori delle centrali eoliche e OEM possono così incrementare la produttività ed essere più competitivi in un settore di mercato particolarmente sfidante come quello energetico.

di Sergio Soriano

Dicembre 2016

Pitch System 3 è una tecnologia per il controllo del passo di nuova generazione sviluppata dallo specialista statunitense Moog, azienda attiva nel campo della progettazione, produzione e integrazione di componenti e sistemi per il controllo di precisione. L’innovativa soluzione è stata lanciata sul mercato - ed è disponibile ai produttori di turbine in Europa ed Asia a dallo scorso ottobre - con l’obiettivo di soddisfare la crescente esigenza degli operatori dei parchi eolici e dei produttori di turbine di ridurre gli investimenti in conto capitale e i costi operativi e di gestione delle centrali eoliche (Capex e Opex). I sistemi di controllo del passo, infatti, monitorano e regolano l’angolo delle pale delle turbine eoliche, proteggendo così la turbina dalle avverse condizioni del vento.

Ridurre il costo di produzione costante di energia (LCoE)
In occasione di WindEnergy, rassegna di riferimento nell’ambito dell’energia eolica che si è tenuta ad Amburgo alla fine di settembre, Moog ha presentato i risultati dell’applicazione del Pitch System 3 in una centrale eolica in Brasile. La struttura del nuovo sistema del passo è in grado di ridurre il Levelized Cost of Energy (LCoE), ovvero il costo di produzione costante di energia, calcolato sull’intera vita operativa dell’impianto, incrementando al contempo l’affidabilità delle turbine eoliche, a favore di tempi di fermo minimi.
L’LCoE misura il costo netto necessario per l’installazione e la messa in servizio di una turbina eolica rapportato all’ouput stimato in termini di produzione di energia durante l’intero ciclo di vita della stessa. Tra i diversi fattori che influiscono sull’LCoE, uno dei più importanti è l’affidabilità della turbina. È stato infatti dimostrato da diverse ricerche come il sistema del passo sia il primo elemento alla base dei guasti e del downtime delle turbine, a causa della sua esposizione, all’interno del mozzo rotante, a condizioni critiche come elevate temperature, umidità e vibrazioni, che possono ridurne l’affidabilità rispetto ad altri componenti.
I sistemi di controllo del passo incidono per meno del 3% sugli investimenti in conto capitale, tuttavia sono responsabili di quasi il 25% dei tempi di fermo delle turbine.

L’architettura del sistema prevede un numero molto inferiore di pezzi
Gran parte dei sistemi del passo disponibili oggi in commercio sono costituiti dai 2.000 ai 3.000 sottocomponenti, a seconda del produttore. Grazie a un’architettura altamente integrata e ottimizzata, che si caratterizza per un numero significativamente inferiore di pezzi, Moog Pitch System 3 assicura un’affidabilità tre volte superiore rispetto ai sistemi del passo standard, a garanzia sia di una riduzione dei tempi di fermo, sia di una diminuzione degli interventi di manutenzione programmata e non.
Un riconoscimento di valore è arrivato da un prestigioso ente terzo come DNV GL-Energy. Francesco Vanni, senior engineer, asset integrity & performance, ha dichiarato: “Abbiamo analizzato l’affidabilità dei sistemi di controllo del passo tradizionali basandoci su dati operativi registrati nel settore energetico, confrontandoli con quelli che Moog ci ha fornito relativamente al nuovo Pitch System 3. Il nostro modello per il calcolo del costo dell’energia ha mostrato come il potenziamento dell’affidabilità, grazie a Moog Pitch System 3, assicuri un risparmio fino a 1,70$/MWh, se si considera una classica turbina da 3,0 MW, con una significativa diminuzione dell’LCoE”.

Un progetto all’insegna della semplificazione
Abbiamo rivolto alcune domande a Dennis Webster, Wind Business Unit General Manager di Moog, sulla progettazione e lo sviluppo del sistema di controllo Pitch System 3.

Qual è stata l’idea da cui siete partiti per sviluppare il nuovo sistema di controllo del passo Moog? Si è trattato di un’esigenza di mercato?
L’esigenza di diminuire il costo d’energia prodotta delle turbine aumentando l’affidabilità del sistema di controllo del passo è stato il punto di partenza per lo sviluppo del progetto. In tal senso, i dati relativi alle performance dei sistemi attualmente in uso nel settore eolico mostrano che esiste un ampio margine di miglioramento: i sistemi di controllo del passo, infatti, hanno conseguenze rilevanti sull’affidabilità delle turbine. Progettare una soluzione caratterizzata da un numero significativamente inferiore di componenti e l’integrazione di moduli specificamente progettati comporta un miglioramento sostanziale dell’affidabilità del sistema di controllo del passo. Quest’ultimo ha un ruolo critico all’interno della turbina eolica e ne influenza direttamente il ciclo di vita.

Da un punto di vista tecnico, cosa hanno fatto gli ingegneri Moog per diminuire il numero di componenti? Queste modifiche influiscono sulle performance di tutto il sistema?
Il nostro team d’ingegneri, che vanta competenze trasversali, ha provato in prima istanza a immaginare come si potesse migliorare il sistema se tutte le limitazioni tecnologiche che ne avevano caratterizzato l’architettura negli ultimi dieci anni fossero state rimosse. La struttura di base è risultata semplificata, partendo col ridefinire l’architettura per la distribuzione dell’energia del sistema per il controllo del passo. Successivamente, la funzionalità chiave è stata centralizzata in moduli progettati, ottimizzati e testati per un ciclo di vita superiore ai 20 anni. Questo approccio ha tenuto conto delle esigenze dei clienti di migliorare l’affidabilità, la facilità d’integrazione, la compatibilità dell’interfaccia e la riduzione degli interventi di manutenzione programmata e non.
Inoltre, Moog ha migliorato la sicurezza funzionale del Pitch System 3 aggiungendo una sorta di firewall interno per contrastare guasti di causa comune - CCFs, Common Case Failures - causati dalla rete elettrica. Si tratta di una modifica importante perché il sistema di controllo del passo agisce da freno di emergenza aerodinamico per tutta la turbina.

Rispetto ai sistemi standard, in che modo la riduzione del numero di sottocomponenti nel sistema di passo ne aumenta l’affidabilità? Quali sono le differenze che possono essere evidenziate rispetto ai primi prodotti Moog?
Cinque anni fa, il sistema tradizionale di controllo del passo Moog era composto da ben 4.000 pezzi singoli, a cui si aggiungevano migliaia di cavi e terminazioni, ognuno dei quali rappresentava una potenziale fonte di guasto. Se confrontiamo questi dati con il nuovo Moog Pitch System 3, siamo stati in grado di ridurre del 60% il numero di componenti incrementando al contempo il livello di funzionalità e flessibilità a favore degli OEM che si occupano di turbine. Inoltre, sono stati definitivamente eliminati una serie di elementi a cui era associato un alto tasso di guasto. Infine, utilizzando strumenti d’analisi per la misurazione dell’affidabilità solitamente impiegati in ambito aerospaziale, siamo in grado di quantificare direttamente i vantaggi di cui possono beneficiare i clienti valutando le loro attuali configurazioni.

Perché l’affidabilità e la riduzione degli interventi di manutenzione sono fattori cosí importanti per gli OEM e per coloro che operano nel settore dei parchi eolici oggi?
La competizione con le tecnologie rinnovabili, come quella solare, è una fonte di pressione per il settore eolico, che si sente in obbligo di garantire una diminuzione dell’LCoE agli operatori della rete elettrica. Questa riduzione non solo comporta la necessità di diminuire il costo per megawatt di capacità installata, ma richiede anche l’aumento di disponibilità della turbina e la diminuzione dei costi di manutenzione programmata e non. La manutenzione delle turbine eoliche è complessa e costosa a causa della difficoltà d’accesso alla navicella e al mozzo rotante che si trovano in posizioni particolarmente scomode e, in aggiunta, l’investimento di denaro dovuto ai guasti dei componenti è amplificato dalle elevate spese per l’equipaggiamento necessario per accedere alle parti da riparare. Grazie all’eliminazione degli interventi di manutenzione e alla notevole riduzione complessiva dei guasti, l’operatore può beneficiare direttamente di una maggiore disponibilità e di minori costi di manutenzione.

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