Sviluppare turbine eoliche intelligenti con il digital twin

Sfide per il settore eolico

L'energia eolica è una delle fonti di energia rinnovabile in più rapida crescita al mondo. Tuttavia, a seguito del rapido sviluppo dell’ultimo decennio, il settore eolico si trova ad affrontare enormi sfide ingegneristiche e la sua efficienza in termini economici è messa in discussione. Una nuova misura di efficienza energetica riconosciuta dal settore è il costo livellato dell'elettricità (LCOE, Levelized Cost of Electricity), che tenta di confrontare diversi metodi di generazione di elettricità. L’indice LCOE rappresenta una stima economica del costo medio necessario per finanziare e mantenere un impianto di produzione energetica nel corso della sua vita utile, in rapporto alla quantità totale di energia generata durante lo stesso intervallo di tempo. Per ridurre tale costo, i produttori di turbine eoliche devono innovare continuamente e sviluppare turbine eoliche più grandi, leggere e intelligenti. L'obiettivo è ridurre i costi di produzione, funzionamento e manutenzione, nonché aumentare la produzione di elettricità per unità.

I parchi eolici rappresentano un’ulteriore sfida per il settore eolico. Negli ultimi 20 anni sono state utilizzate risorse eoliche tradizionali ad alta velocità, ma queste stanno raggiungendo i loro limiti. Ciò rende urgente per l'industria l'esplorazione di risorse eoliche a bassa velocità, con una velocità minima del vento di circa 5 o 5,5 metri al secondo.

Il settore eolico è entrato in una nuova era, che prevede la generazione di energia anche con venti a bassa velocità. Questi fattori devono essere presi in considerazione nello sviluppo di nuovi prodotti e presentano una serie di sfide ingegneristiche.

Sfide ingegneristiche

Una turbina eolica è una grande struttura flessibile soggetta a eccitazione aerodinamica transitoria casuale. I componenti principali includono pale, torri, motori ad azionamento diretto e riduttori. A causa degli effetti di carichi dinamici complessi, i componenti a volte si guastano e il tasso di guasto è il fattore che contribuisce in modo più significativo ai costi del ciclo di vita. L'affidabilità è sempre un requisito fondamentale nel processo di progettazione delle turbine eoliche.

I processi di sviluppo delle turbine eoliche tradizionali vengono eseguiti separatamente, il che ha un impatto negativo sull'affidabilità di tali macchine. Da un lato, nel processo di progettazione l'analisi del carico del vento è scollegata dalla progettazione strutturale costringendo gli ingegneri a fare molte ipotesi, talvolta inadeguate. D'altra parte, anche il processo progettuale del programma di controllo è scollegato dal processo di progettazione strutturale. I progettisti dei programmi di controllo devono fare ipotesi sulle risposte strutturali sotto i carichi dati. A causa dei vincoli tecnici delle risorse, i progettisti strutturali spesso non sono in grado di determinare rapidamente la vera risposta strutturale.

Il problema è ancora più grave nel mercato dell'energia eolica a bassa velocità, dove la pala della turbina è molto più lunga e la torre può essere alta da 120 a 140 metri, rendendo la turbina ancora più sensibile ai carichi dinamici. Una previsione accurata della risposta dinamica delle turbine eoliche è essenziale per lo sviluppo del prodotto. La creazione di un modello di simulazione digitale ad alta precisione dell'intera macchina è il compito fondamentale per prevedere la sua risposta dinamica.

Le grandi turbine eoliche sono strutturalmente molto complesse e hanno molte parti e superfici articolate. La simulazione tradizionale agli elementi finiti non è in grado di soddisfare i requisiti per un rapido sviluppo in termini di modellazione o efficienza di calcolo. Pertanto, il modello deve essere parametrizzato e semplificato in preparazione alla simulazione completa delle prestazioni dinamiche della macchina.

Oltre alle sfide legate alla progettazione delle singole turbine eoliche, i produttori devono anche considerare il controllo complessivo dei parchi eolici con più di una turbina. Un modo per ridurre l’indice LCOE consiste nell'utilizzare la tecnologia dei sensori per il monitoraggio in tempo reale delle forze e delle direzioni del vento. Quindi, si utilizza un algoritmo di ottimizzazione per regolare tutte le turbine del parco, in modo da ottenere una generazione efficace dell’energia e un funzionamento sicuro. L’impiego di un “digital twin” - un modello virtuale intelligente che duplica e simula in modo preciso le proprietà e le prestazioni effettive dei prodotti fisici - supporta la simulazione ottimale e il controllo intelligente dei sistemi fisici.

La scelta di SANY Heavy Energy

Dal 2016, il team di SANY Heavy Energy sviluppa nuovi metodi per prevedere i carichi dinamici, sviluppando metodi di progettazione digitale per piattaforme di prodotto e supportando il funzionamento e la manutenzione attraverso l'ottimizzazione delle prestazioni meccaniche e delle strategie di controllo per i prodotti esistenti.

Il team ha creato un processo di simulazione digitale completo, maturo ed efficiente, e utilizza un software per il calcolo del carico del vento esterno e la successiva analisi della resistenza strutturale delle parti. Il passaggio fondamentale in questo processo è la previsione della risposta dinamica della macchina completa. A tale scopo, SANY Heavy Energy ha confrontato diverse soluzioni tecniche disponibili sul mercato e ha deciso di implementare le soluzioni Simcenter™ di Siemens Digital Industries Software, tra cui il software Simcenter Samcef™ Wind Turbines per la modellazione digitale e il solutore Simcenter Samcef™ per la previsione della risposta dinamica completa della macchina.

Simcenter Samcef Wind Turbines è una soluzione specializzata per lo sviluppo di sistemi di turbine eoliche. SANY Heavy Energy si avvale del software per creare un modello di simulazione altamente preciso che supporta l'intero ciclo di sviluppo (concept design, progettazione di dettaglio, sviluppo di prototipi o modelli modificati, certificazione, risoluzione dei problemi e altre attività), coordinando così i processi di progettazione tradizionalmente separati.

Il modello ad alta precisione della macchina completa fornisce un valore importante. Innanzitutto, migliora la qualità della simulazione supportando la simulazione Hardware-in-the-Loop (HIL). SANY Heavy Energy può importare carichi effettivi di parchi eolici e calcolare le risposte dinamiche in modo rapido e preciso per ottimizzare le strutture delle turbine eoliche e i sistemi di controllo. Inoltre, il modello può anche essere guidato da comandi del sistema di controllo che regolano i parametri rilevanti per ottenere rapidamente risposte di controllo.

Un'ulteriore complessità nella simulazione delle turbine eoliche è data dalla non linearità. Per i grandi meccanismi flessibili come le turbine eoliche, grandi rotazioni e deformazioni possono causare imprecisioni nella simulazione. SANY Heavy Energy utilizza le funzionalità di simulazione multibody non lineare del solutore Simcenter Samcef per calcolare carichi dinamici più precisi.

Una delle funzionalità chiave di Simcenter Samcef Wind Turbines è la modellazione parametrica delle turbine. I modelli parametrizzati consentono ai progettisti di confrontare e verificare facilmente diversi progetti o modificare progetti esistenti senza ricostruzioni complesse e dispendiose in termini di tempo. Il risultato sono cicli di sviluppo più brevi e costi ridotti. Il software include anche strumenti che semplificano la certificazione delle turbine eoliche, consentendo a SANY Heavy Energy di eseguire rapidamente set standard di calcoli e report richiesti dagli enti di normazione.

Digital twin e turbine eoliche intelligenti

SANY Heavy Energy ha inoltre implementato controlli intelligenti per il funzionamento e i processi di manutenzione delle turbine eoliche. Quando le condizioni meteorologiche peggiorano o il sistema di monitoraggio remoto invia messaggi in tempo reale, il team operativo e di manutenzione può prevederne rapidamente lo stato e sviluppare una strategia di controllo ottimale o un piano di manutenzione, migliorando così l'efficienza complessiva del parco eolico, evitando guasti alle turbine e prolungando i tempi di generazione dell’energia. Il funzionamento e la manutenzione intelligenti si traducono in un indice LCOE significativamente ridotto.

L'utilizzo delle soluzioni Simcenter da parte di SANY Heavy Energy ha dato risultati positivi. Le informazioni acquisite attraverso simulazioni all'avanguardia hanno permesso all'azienda di migliorare l'efficienza delle turbine eoliche e dei parchi del 50% e di ridurre l’indice LCOE previsto di oltre il 10%.

“Nel settore eolico in rapida evoluzione, la chiave per il successo di SANY Heavy Energy è sfruttare appieno le tecnologie intelligenti come il digital twin. Questo permette di migliorare l'efficienza di sviluppo e l'affidabilità del prodotto, riducendo così il costo livellato dell’energia e supportando la realizzazione di turbine in grado di generare energia anche con venti a basse velocità”, afferma Wu Shengfei, CAE Simulation Manager presso SANY Heavy Energy. “In questo processo, Simcenter 3D di Siemens Digital Industries Software è un elemento chiave.”