Ekspansja europejskiego sektora morskiej energetyki wiatrowej na głębsze wody
Od 2009 roku obserwujemy wykładniczy wzrost(odnośnik otworzy się w nowym oknie) mocy zainstalowanej morskich turbin wiatrowych, od około 2 gigawatów, aż do obecnych 72 gigawatów. Większość europejskich morskich elektrowni wiatrowych znajduje się na Morzu Północnym, a większość turbin jest przytwierdzona na stałe do dna morskiego. Wadą tego rozwiązania jest ograniczenie możliwości rozwoju elektrowni do stosunkowo płytkich wód - maksymalna głębokość wynosi około 60 metrów. Pływające morskie turbiny wiatrowe stanowią klucz do dalszego wykorzystywania energii wiatru na obszarach oddalonych od linii brzegowej, w tym na wąskich szelfach kontynentalnych Morza Śródziemnego. Konieczne jest w związku z tym opracowanie skuteczniejszych narzędzi modelujących, by umożliwić opłacalny ekonomicznie rozwój rozwiązań. Realizowany dzięki wsparciu ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie) projekt SEAFLOWER(odnośnik otworzy się w nowym oknie) był poświęcony opracowaniu metod numerycznych łączących dotychczasowe doświadczenia i nowe odkrycia przy użyciu analizy metodą elementów skończonych, metamodelowania i sztucznej inteligencji.
Metamodelowanie systemów kotwiczących
Metamodelowanie stanowi sprawną i wydajną obliczeniowo metodę aproksymacji stosowaną w celu odtwarzania odpowiedzi złożonych modeli elementów skończonych. Dzięki stworzeniu uproszczonego modelu, który odtwarza podstawowe zachowanie bardziej złożonego układu, metoda metamodelowania pozwala na przyspieszenie obliczeń i zmniejszenie zapotrzebowania na moce obliczeniowe, co jest szczególnie istotne w przypadku dużych zbiorów danych i złożonych symulacji. Jednym z takich złożonych problemów są systemy pozwalające na kotwiczenie pływających turbin wiatrowych. Tego rodzaju turbiny są wznoszone na platformach przytwierdzonych linami cumowniczymi i kotwicami. Rozwiązanie to jest wciąż na wczesnym etapie rozwoju - dotychczas powstało wyłącznie kilka realizacji pilotażowych. Istniejące systemy kotwiczące opierają się w dużym stopniu na rozwiązaniach wykorzystywanych w przemyśle naftowym i gazowym. Turbiny wiatrowe charakteryzują się jednak innymi wymogami. Alessio Mentani, stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie” z Uniwersytetu Bolońskiego(odnośnik otworzy się w nowym oknie), postanowił opracować i zweryfikować procedurę metamodelowania rozwiązań kotwiczących. Choć Mentani uzyskał doktorat w dziedzinie inżynierii geotechnicznej, nigdy wcześniej nie zajmował się zawodowo geotechniką morską, dysponował też niewielkim doświadczeniem związanym z technikami metamodelowania. „Projekt SEAFLOWER stanowił wyjątkową okazję do poszerzenia mojej wiedzy i umiejętności w tym specjalistycznym obszarze badawczym. Dzięki niemu rozwinąłem także sieć moich kontaktów zawodowych, co było jednym z moich kluczowych celów”, wyjawia badacz.
Łączenie metamodeli i metody elementów skończonych
„Połączenie modelowania opartego na metodzie elementów skończonych z metodami metamodelowania było trudnym zadaniem, podobnie jak wskazanie problemu badawczego, który umożliwiał wykorzystanie obu technik. Dzięki iteracyjnemu modelowi rozwoju i wytrwałości udało się pokonać przeszkody i opracować niezawodną metodykę, która poprawiła nasze rozumienie procesu łączenia zaawansowanych technik w praktycznych zastosowaniach”, zauważa Laura Govoni, profesor nadzwyczajna na Uniwersytecie Bolońskim i kierowniczka projektu. Mentani początkowo skupił się na potwierdzeniu słuszności koncepcji na podstawie kotwy wbijanej poddawanej obciążeniom rozciągającym. W ramach drugiego studium przypadku badacz przyjrzał się bardziej złożonemu scenariuszowi - kotwie płytowej zainstalowanej w glebie charakteryzującej się zmiennymi właściwościami na całym obszarze, co pozwoliło na zebranie bardziej zaawansowanych wyników. „Uwzględnienie zmienności przestrzennej w technikach metamodelowania w celu zbadania, w jaki sposób zmienność właściwości gleby wpływa na zdolność utrzymywania kotwy płytowej, było zarówno innowacyjne, jak i wymagające. Sukces tych prac potwierdził niezawodność podejścia do probabilistycznej analizy problemów”, zauważa Mentani. „Opracowany artykuł zawierający opis kluczowych wyników jest obecnie recenzowany. Mam nadzieję, że zaowocuje nowymi wnioskami i przyczyni się do rozwoju tej dziedziny”, dodaje badacz. Choć modele opracowane dla obu systemów kotwiczących są istotne, weryfikacja niezawodności metody pozwoli na jej upowszechnienie i wykorzystanie w celu realizacji ambicji Europy w zakresie morskiej energetyki wiatrowej.
