Migliorare i parchi eolici offshore e le turbine a marea prevedendo l’imprevedibile

I progetti di energia rinnovabile offshore stanno guadagnando una notevole importanza in tutto il mondo. Se guardiamo all’Unione Europea da sola, il dispiegamento dell’energia eolica offshore è al centro della consegna del Green Deal europeo, che mira a garantire la competitività e la sicurezza dell’approvvigionamento energetico dell’Europa.

In generale, la Commissione Europea ha già pubblicato una dedicata strategia UE per l’energia rinnovabile offshore, proponendo misure robuste per sostenere lo sviluppo a lungo termine e sostenibile del settore. La strategia stabilisce obiettivi ambiziosi per una capacità installata di almeno 60 GW di energia eolica offshore e 1 GW di energia oceanica entro il 2030, e 300 GW e 40 GW, rispettivamente, entro il 2050. La buona notizia è che i paesi dell’UE hanno già superato gli obiettivi proposti dalla Commissione, sia a breve che a lungo termine.

Il mercato globale dell’energia rinnovabile offshore sta anche crescendo rapidamente. Secondo il Rapporto sul mercato dell’energia eolica offshore 2024 pubblicato dal National Renewable Energy Limited (NREL), le nuove installazioni di energia eolica offshore nel 2023 hanno aumentato la capacità globale a oltre 68 GW, distribuiti su 319 progetti operativi che ospitano oltre 13.000 turbine operative.

Con progetti aggiuntivi in varie fasi di pianificazione e sviluppo, la capacità di energia eolica offshore in pipeline totale più di 453,6 GW, con 104,4 GW da strutture galleggianti.

Una tale crescita nei regimi di energia rinnovabile offshore richiede un forte sostegno da parte della comunità di R&S globale in tutto il mondo – e quel sostegno è disponibile. Nella sezione seguente, discutiamo di uno di questi sviluppi innovativi: il dispiegamento di robot subacquei in grado di prevedere le onde in tempo reale in modo che il costo di produzione dell’energia rinnovabile offshore possa essere ridotto.

Una nuova tecnologia potrebbe rendere più economico, veloce e sicuro mantenere i parchi eolici offshore e le turbine a marea

La ricerca è stata condotta da tre ricercatori dell’Università di Edimburgo, Kyle L. Walker, Laura Beth Jordan e Francesco Giorgio-Serchi. Questo team di ricercatori ha sviluppato un’architettura di controllo completa per la rimozione delle perturbazioni durante le attività di stazionamento in condizioni di perturbazioni ondose, che comprende un controllore predittivo non lineare (NMPC) combinato con un predittore di onde marine deterministico (DSWP). La loro soluzione mira a rendere più facile per i veicoli subacquei operare in ambienti dominati dalle onde, dove le perturbazioni influenzano notevolmente la risposta del veicolo e rappresentano una minaccia per la sicurezza operativa.

In poche parole, i ricercatori hanno elaborato strumenti – sia computazionali che sperimentali – che consentono ai robot autonomi di mantenere una posizione stabile in mezzo a onde irregolari e impetuose. Il serbatoio di prova FloWave dell’Università ha servito come sito di prova per l’esperimento. Per i dati, hanno utilizzato informazioni catturate da una boa nel Mare del Nord per mimare le condizioni in cui i robot potrebbero lavorare.

Il sistema utilizza dispositivi ancorati al fondale del mare per misurare la direzione e l’altezza delle onde in arrivo e trasmettere le informazioni in tempo reale a un robot che lavora nelle vicinanze, consentendo alla macchina senza pilota di prevedere le complesse perturbazioni future nell’acqua e contrastarle per mantenere una posizione stabile.

I vantaggi della tecnologia

Fonte: L’Università di Edimburgo

I robot senza pilota stabili stazionati offshore eseguirebbero il compito complesso della manutenzione di routine a un costo inferiore, riducendo il costo complessivo di generazione di energia rinnovabile, che manca di un vantaggio competitivo per il costo che di solito supera quello dei combustibili fossili. Il dispiegamento di tali robot e la loro stabilità garantirebbero anche operazioni semplificate che non richiedono navi, elicotteri o attrezzature di sollevamento.

I ricercatori sottolineano che la loro nuova soluzione è migliore dei sistemi di controllo convenzionali.

Per spiegare la natura dell’aggiornamento che questi sistemi di controllo hanno subito, il dottor Kyle Walker, uno dei tre ricercatori, ha detto:

“Formando una previsione delle future perturbazioni ondose e integrandola all’interno del sistema di controllo, siamo in grado di espandere questo intervallo con poco o nessun cambiamento nell’hardware del robot. In termini di traduzione di questa tecnologia sul campo, questo è un enorme vantaggio e rende il nostro sistema applicabile alla maggior parte dei veicoli attualmente disponibili sul mercato.”

Inoltre, i risultati della prova hanno mostrato che il sistema ha alti livelli di compatibilità con i robot che operano a grandi profondità vicino alla superficie dove le perturbazioni sono sentite molto fortemente.

In futuro, i ricercatori sono ansiosi di dotare la soluzione di una maggiore autonomia in modo che possa eseguire compiti precisi in cui rileverebbe la ruggine o riparerebbe l’attrezzatura elettrica senza diventare instabile.

Parlando dei vantaggi che l’avanzamento di questa tecnologia potrebbe portare, il dottor Francesco Gorgio-Serchi ha detto:

“L’avanzamento di questa tecnologia potrebbe aiutare a realizzare un cambiamento significativo nell’adozione di robot senza pilota in mare e aumentare notevolmente il grado di automazione nel settore offshore.”

Mentre questa ricerca rende la produzione di energia rinnovabile offshore più economica e efficiente, dobbiamo ricordare che la ricerca in questo campo è in corso da molto tempo. Nel 2022, ad esempio, tre ricercatori, Y. Liu, M Hajj e Y. Bao, hanno pubblicato una revisione della valutazione dei danni basata su robot per turbine eoliche offshore o OWT. Di seguito sono riportati alcuni degli aspetti cruciali dei risultati della revisione.

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Dispiegare robot per valutare i danni nelle turbine eoliche offshore

La ricerca ha sottolineato il fatto che i robot potrebbero eseguire il compito di valutazione automatica delle condizioni delle turbine eoliche offshore. Ha esaminato le possibilità di dispiegare UAV, robot di arrampicata e robot subacquei per il monitoraggio e l’uso della fotografia, termografia e imaging a raggi X per rilevare anomalie.

Le turbine eoliche offshore soffrono di molti fattori, tra cui ambienti estremi in cui carichi dinamici e estremi continuano a gravare sulla loro sicurezza e sulla loro vita di servizio. I costi di installazione e manutenzione aumentano, provocando un aumento del costo complessivo di produzione di energia rinnovabile. Inoltre, c’è il rischio di degrado dei materiali causato dalle acque salate del mare.

La ricerca afferma che i recenti progressi nella tecnologia robotica e negli algoritmi intelligenti possono assistere nella valutazione dei livelli di danno nelle OWT. Mentre un robot dotato di un dispositivo NDE può essere operato in remoto o in modo automatico per ispezionare le OWT, i dati ottenuti da questi dispositivi NDE possono essere analizzati utilizzando algoritmi intelligenti per il rilevamento, la classificazione, la localizzazione e la quantificazione dei danni. I UAV, i robot di arrampicata e i robot subacquei possono ulteriormente assistere trasportando dispositivi come fotocamere ottiche e a infrarossi, nonché attrezzature a raggi X.

La ricerca ha dedotto che le ispezioni basate su robot potrebbero essere ottime soluzioni per migliorare la sicurezza e offrire un alto livello di robustezza, mantenendo al contempo un prezzo basso.

Guardando al valore che queste soluzioni offrono all’industria di produzione di energia rinnovabile, diverse aziende hanno elaborato soluzioni commerciali in questo settore. Di seguito sono riportati alcuni esempi.

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1. Aerones

Aerones è uno dei leader globali tra le aziende che offrono servizi di manutenzione di turbine eoliche robotizzati. L’azienda afferma di sfruttare la sua tecnologia robotica brevettata per far sì che i suoi team di servizio forniscono servizi più veloci, più sicuri e più efficaci per gli operatori di turbine eoliche in tutto il mondo.

L’ambito dei servizi offerti da Aerones tocca tutti i settori di servizio cruciali del ciclo di vita di una turbina, tra cui ispezione, pulizia, riparazione e altro. Per l’ispezione, fornisce servizi di protezione contro i fulmini, ispezione interna e con drone, nonché pulizia dei fori di drenaggio. Per la pulizia, Aerones esegue la pulizia della torre e della pala. Per i servizi di riparazione, la piattaforma robotica altamente sofisticata di Aerones aiuta con la preparazione della superficie, l’applicazione del riempitivo, la sabbiatura e la protezione del bordo di attacco, applicando un rivestimento protettivo per salvaguardare la superficie della pala da erosione per anni a venire.

I servizi robotici unici di Aerones non sono progettati per sostituire gli esseri umani o portare via lavoro da loro. Richiede tecnici certificati per controllare gli strumenti dal comfort di un veicolo riscaldato. Grazie alla precisione e all’efficienza robotica, i servizi di Aerones riducono il tempo di fermo del 4-6 volte e riducono il tempo di inattività del 5-10 volte. Il suo sistema proprietario fornisce servizi robotici di alta qualità ai tecnici di turbine eoliche per ispezioni, pulizia, manutenzione e riparazioni, mentre la sua piattaforma di dati digitali basata su cloud raccoglie set di dati unici a livello di settore da ispezioni, consentendo piani di manutenzione preventiva più intelligenti e budget.

Nel settembre 2024, Aerones ha ottenuto un sostegno al fondo per l’innovazione fornito per progetti di infrastrutture altamente innovativi, pronti per il mercato, scalabili e ambiziosi volti a ridurre le emissioni di CO2.

Aerones ha ricevuto 4,4 milioni di euro dal fondo per l’innovazione dell’UE. Il progetto, hanno spiegato, mira a raggiungere riparazioni di turbine entro 18 ore, riducendo notevolmente il tempo di fermo e contribuendo agli obiettivi climatici globali. Secondo i rapporti, il loro approccio è stato stimato per portare a una riduzione del 67% nel tempo di fermo per le riparazioni, evitando 161.349 tonnellate di emissioni di CO2 in un decennio e consentendo la produzione di un’ulteriore quantità di 918.320 MWh di energia rinnovabile.

A gennaio 2023, Aerones ha raccolto 30 milioni di dollari per ampliare i suoi servizi abilitati ai robot e aumentare l’efficienza. Il round di finanziamento è stato co-gestito da nuovi investitori Lightrock e Haniel, con la partecipazione di Blume Equity e da investitori esistenti come Change Ventures, Metaplanet e Mantas Mikuckas, tra gli altri.

Aerones ha affermato che il fondo sarà utilizzato per far crescere le funzioni tecniche e di vendita di Aerones, aumentare il numero di squadre di servizio robotico e espandersi in nuovi mercati in rapida crescita. Al momento della raccolta dei fondi, la gamma di soluzioni abilitate ai robot di Aerones serviva già clienti che rappresentavano il 50% della capacità di energia eolica mondiale.

2. Bladebug

Un’altra azienda innovativa per soddisfare le esigenze del settore eolico offshore in crescita e renderle prevedibili ed efficienti è Bladebug. L’azienda sta sviluppando robot avanzati per assistere i tecnici nell’ispezione e nella riparazione delle pale della turbina, senza la necessità di accesso con fune. Ci sono molti vantaggi nelle soluzioni robotiche di Bladebug. Riducono le barriere all’adozione, minimizzano il tempo di fermo e prevenendo la duplicazione degli sforzi.

I robot striscianti di Bladebug possono essere operati fuori dalla linea di vista. Con il loro aiuto, i tecnici possono eseguire compiti di manutenzione in remoto senza il costo associato e senza essere esposti a condizioni estreme. È semi-autonomo.

In secondo luogo, poiché è leggero, la velocità di dispiegamento e la facilità di uso sono molto più elevate rispetto a molti dei suoi pari. Attraverso la soluzione robotica di Bladebug, i team di manutenzione possono trattare i difetti prima che sia possibile utilizzare un team di accesso con fune tradizionale. Questa manutenzione preventiva aumenta l’efficienza della turbina e massimizza l’energia a basso carbonio generata.

Infine, il suo design modulare garantisce che il corpo del robot possa accettare diversi dispositivi di test non distruttivi e riparazione, rendendolo flessibile mentre è offshore.

Bladebug ha ricevuto un ampio sostegno finanziario e una mentorship da aziende come Innovate UK, Catapult Offshore Renewable Energy, Imperial Enterprise Lab e Launch Academy. È finanziata da due investitori: Britbots e The Offshore Wind Growth Partnership.

3. Reblade

A maggio 2024, il Consiglio globale dell’energia eolica ha riferito che un record di 117 gigawatt di nuova capacità sono stati installati in tutto il mondo nel 2023. A causa della sfida di installare più hardware e di un aumento dei piani di manutenzione che li accompagnano, l’azienda danese Reblade ha creato una fabbrica di riparazione miniaturizzata consegnata da drone.

Le soluzioni di riparazione delle pale di Reblade includono plug-and-play per gli equipaggi di manutenzione che consentono ai team di istruire e monitorare i progetti da terra. I robot di Reblade potrebbero fornire riparazioni per l’erosione con un robot per ogni attività, dalla pulizia e dalla sabbiatura alla copertura e alla pittura del bordo di attacco delle pale della turbina. Il sistema di riparazione consegnato da drone era personalizzabile, con ogni modulo in grado di eseguire attività e prodotti specifici per le preferenze e le esigenze di ogni cliente.

L’azienda ha affermato che i suoi robot sono estremamente veloci ed efficienti, con team di servizio che completano le riparazioni su due turbine complete in un solo giorno. Ha anche affermato che le sue soluzioni possono resistere a una varietà di condizioni meteorologiche, con i robot che funzionano senza problemi in località remote, riducendo i tempi di servizio e i costi fino all’80%. L’azienda ha tre investitori, tra cui Eureka Network e il Consiglio europeo per l’innovazione.

Soluzioni robotiche per migliorare i parchi eolici offshore e le turbine a marea: il futuro

Nei giorni a venire, migliorare l’efficienza attraverso i parchi eolici offshore e le turbine a marea richiederà maggiori sforzi nell’automatizzare i processi di ispezione e manutenzione. Questi aspetti, oltre a migliorare la qualità del servizio, ridurranno notevolmente le preoccupazioni per la sicurezza, riducendo la necessità di subacquei umani che lavorano in ambienti pericolosi sott’acqua.

Il passaggio dagli sforzi umani alle soluzioni robotiche coinvolgerà veicoli operati a distanza, navi di superficie senza pilota e robot subacquei autonomi più sofisticati. Queste tecnologie opereranno con successo in condizioni pericolose o inaccessibili per gli esseri umani, funzionando in una gamma di condizioni meteorologiche impegnative, a grandi profondità e per periodi più lunghi.

I ricercatori che lavorano in questo settore hanno identificato diverse aree chiave che richiedono soluzioni più sfumate. Ad esempio, i robot subacquei devono mantenere una posizione precisa in mari turbolenti – una sfida che la ricerca con cui abbiamo iniziato la discussione affronta come una significativa innovazione.

I ricercatori stanno anche contemplando l’uso di gemelli digitali. Poiché i robot di oggi sono in grado di tecnologie di mappatura e ricostruzione 3D avanzate, possono creare modelli tridimensionali dettagliati di infrastrutture subacquee. Gli ingegneri possono quindi utilizzare questi “gemelli digitali” per monitorare l’accumulo di vita marina sulle fondamenta delle turbine o per identificare potenziali problemi strutturali, il tutto dalla sicurezza delle sale di controllo a terra.

Un’altra innovazione che cambia il gioco in questo settore è l’uso coordinato di USV e ROV. Gli USV agiscono come stazioni di base mobili, dispiegando e coordinando con ROV subacquei per eseguire ispezioni complete delle infrastrutture dei parchi eolici. I team che eseguono tali operazioni traggono vantaggio da sistemi di controllo e intelligenza artificiale avanzati, che consentono a queste unità robotiche di navigare ambienti sott’acqua complessi con precisione ed efficienza notevoli.

Secondo le stime, l’uso di sistemi di ispezione robotici potrebbe ridurre il consumo di carburante per le missioni di manutenzione fino al 97% – da 7.000 litri al giorno a soli 200 litri.

In sintesi, i vantaggi sono molti. Il clima trae vantaggio da emissioni di carbonio notevolmente ridotte. Le aziende traggono vantaggio a lungo termine poiché queste soluzioni riducono il costo complessivo di produzione di energia rinnovabile. E, infine, i dipendenti, in particolare quelli legati alla manutenzione e all’ispezione, traggono vantaggio da standard di sicurezza migliorati e dalla possibilità di condizioni di lavoro significativamente prive di rischi.

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