W literaturze dotyczącej morskiej energetyki wiatrowej, tak jak zaznaczono to powyżej, w różny sposób definiowana jest konstrukcja wsporcza. W najszerszym ujęciu przyjmowano, że mianem konstrukcji wsporczej określano całość konstrukcji, która dawała oparcie elementom właściwej elektrowni, tak jak przedstawiono to na rysunku 1A. Drugim często stosowanym podejściem było wyłączenie fundamentu, jako części utwierdzającej konstrukcję w gruncie i w takim ujęciu konstrukcja wsporcza definiowana jest jako całość sięgająca od fundamentu aż po turbinę (rys. 1B). Jednak w praktyce budowlanej wieża jest często dostarczana przez producentów turbin, często montowana łącznie z elementami właściwej elektrowni, stąd w kolejnym etapie modyfikacji definicji konstrukcji wsporczej została ona z niej wykluczona. Rys. 1C obrazuje definicję konstrukcji wsporczej, która została przyjęta i obowiązuje w ramach realizacji projektu AQUILO.
Rysunek 1. Definicje pojęcia „konstrukcja wsporcza”
Na rysunku 2 pokazano poglądowo zależność opłacalności stosowania pala wielkośrednicowego, konstrukcji kratownicowej i pływającej od zwiększającej się głębokości. Poza głębokością posadowienia, czynnikami determinującymi wybór rodzaju konstrukcji wsporczej jest:
- prędkość (siła) wiatru,
- wysokość falowania morskiego,
- reżim prądów morskich,
- odległość od brzegu,
- ciężar elektrowni,
- możliwości wykonawstwa,
- względy ekonomiczne.
Rysunek 2. Optymalne rozwiązania konstrukcji wsporczych w zależności od głębokości wody
Rysunek 3 przedstawia procentowe zastosowanie każdego z typów konstrukcji wsporczych w morskich elektrowniach wiatrowych w Europie.
Wymienione wyżej konstrukcje wsporcze nie są jedynymi rozważanymi rozwiązaniami, istnieje wiele koncepcji posadowienia morskich elektrowni wiatrowych, jednak nadal pozostają one w sferze badań ewentualnie zostały zrealizowane w formie projektów demonstracyjnych. Do takich rozwiązań zaliczyć można:
- keson z pojedyńczą wieżą (ang. suction bucket monotower)
- kratownica z trzema słupami nośnymi ( three-legged jacket),
- trójnóg grawitacyjny ( gravity based tripod),
- wieża kratownicowa ( full truss tower),
- skręcona kratownica ( twisted jacket)
- konstrukcja podatna ( compliant structure),
- platforma pływająca zakotwiczona ( barge floater),
- platforma cięgnowa ( tension leg platform).
Rysunek 3. Procentowy udział rodzajów konstrukcji wsporczych w morskich elektrowniach wiatrowych w Europie na koniec 2014 r. Zastosowanie poszczególnych konstrukcji wsporczych w Europie
Zastosowanie każdego z typu konstrukcji wsporczej jest zależne, jak wcześniej wspomniano, od głębokości posadowienia. W niniejszym rozdziale są przedstawione wykresy, na których przedstawiono zastosowanie konstrukcji wsporczych dla pewnych przedziałów głębokości posadowienia.
Rysunek 4. Procentowy udział konstrukcji wsporczych zrealizowanych na morzach: Północnym, Irlandzkim i Bałtyckim do roku 2013 na wodach płytkich
Rysunek 5. Procentowy udział konstrukcji wsporczych zrealizowanych na morzach: Północnym, Irlandzkim i Bałtyckim do roku 2013 na głębokościach 10-30 m
Dla głębokości nie przekraczających 10 m zastosowanie mają tylko pale wielkośrednicowe i konstrukcje grawitacyjne. Gdyby ten przedział zawęzić do jeszcze mniejszych głębokości, procentowy udział fundamentów grawitacyjnych będzie większy niż udział pali wielkośrednicowych. Sytuacja zmienia się dla kolejnego przedziału głębokości. Od 10 do 30 m, gdzie zdecydowanej redukcji ulega zastosowanie konstrukcji grawitacyjnych, natomiast sporadycznie znajdują zastosowanie konstrukcje wsporcze w postaci konstrukcje kratownicowych oraz trójpalowych. Dominacja pali wielkośrednicowych (monopale) jest wyraźnie widoczna. Przy przejściu do następnego przedziału, tak więc dla głębokości przekraczających 30 m, udział procentowy monopali ulega wyraźnemu zmniejszeniu, kosztem wzrostu przede wszystkim trójnogów, jak również konstrukcji kratownicowych i trójpalowych. Dla dużych głębokości, z analiz zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych praktycznie odchodzi się od stosowania konstrukcji grawitacyjnych. Dzieje się tak dlatego, ponieważ posadowienie fundamentu bezpośredniego dla dużych głębokości wiązałoby się z jego dużymi gabarytami co w konsekwencji prowadzi do nieproporcjonalnie dużego wzrostu kosztów produkcji. Przy największych głębokościach zastosowanie znajdują głównie trójnogi oraz czwórnogi.
Rysunek 6. Procentowy udział konstrukcji wsporczych zrealizowanych na morzach: Północnym, Irlandzkim i Bałtyckim do roku 2013 na głębokościach większych niż 30 m
Z podsumowania inwestycji realizowanych w Europie w roku 2014, w ramach morskich elektrowni wiatrowych, przeprowadzonych przez European Wind Energy Association (EWEA),można wnioskować o trendach dotyczących konstrukcji wsporczych. Raport EWEA z 2015 r. przedstawia następujące dane:
Rynek morskiej energetyki wiatrowej (MEW) w 2014 r. |
|
Stan rynku MEW |
|
Cel na rok 2015/2016 |
|
Obecne trendy w MEW |
|