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

I progetti di energia rinnovabile offshore stanno guadagnando un notevole slancio a livello globale. Se consideriamo solo l’Unione Europea, l’installazione di energia eolica offshore è al centro della realizzazione del Green Deal europeo, che mira a garantire la competitività dell’Europa e la sicurezza dell’approvvigionamento energetico.

In generale, la Commissione europea ha già pubblicato una strategia UE dedicata all’energia rinnovabile offshore, proponendo misure robuste per sostenere lo sviluppo sostenibile a lungo termine del settore. La strategia fissa obiettivi ambiziosi per una capacità installata di almeno 60 GW di eolico offshore e 1 GW di energia oceanica entro il 2030, e rispettivamente 300 GW e 40 GW 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 crescendo rapidamente. Secondo il Rapporto sul mercato eolico offshore 2024 pubblicato dal National Renewable Energy Laboratory (NREL), le nuove installazioni eoliche offshore nel 2023 hanno portato la capacità globale a oltre 68 GW, distribuite su 319 progetti operativi che ospitano più di 13.000 turbine in funzione.

Con ulteriori progetti in varie fasi di pianificazione e sviluppo, la capacità eolica offshore in cantiere supera i 453,6 GW, di cui 104,4 GW provengono da strutture galleggianti.

Tale crescita nei regimi di energia rinnovabile offshore richiede un forte supporto dalla comunità globale di ricerca e sviluppo, e tale supporto è disponibile. Nella sezione seguente, discuteremo di un’innovazione di questo tipo: l’impiego di robot subacquei in grado di prevedere le onde in tempo reale, così da ridurre i costi di produzione dell’energia rinnovabile offshore.

Una nuova tecnologia potrebbe rendere più economico, veloce e sicuro la manutenzione dei parchi eolici offshore e delle turbine di 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 ha sviluppato un’architettura di controllo completa end‑to‑end per il rifiuto delle perturbazioni durante le operazioni di mantenimento della posizione in presenza di onde, comprendente un controllore predittivo non lineare (NMPC) combinato con un predittore deterministico delle onde marine (DSWP). La loro soluzione mira a semplificare l’uso di veicoli subacquei operanti in ambienti dominati dalle onde, dove le perturbazioni influenzano significativamente la risposta del veicolo e rappresentano una minaccia per la sicurezza operativa.

In parole semplici, i ricercatori hanno ideato strumenti—sia computazionali che sperimentali—che consentono ai robot autonomi di mantenere una posizione stabile in mezzo a onde irregolari e turbolente. Il serbatoio di prova FloWave dell’Università è stato il sito sperimentale. Per i dati, hanno utilizzato le informazioni raccolte da una boa nel Mare del Nord per simulare le condizioni in cui i robot potrebbero operare.

Il sistema utilizza dispositivi ancorati al fondale marino per misurare la direzione e l’altezza delle onde in arrivo e trasmettere le informazioni in tempo reale a un robot operante nelle vicinanze, consentendo alla macchina senza equipaggio di anticipare le future perturbazioni dell’acqua e contrastarle per mantenere una posizione stabile.

I vantaggi della tecnologia

Fonte: The University of Edinburgh

I robot autonomi stazionati offshore eseguirebbero il complesso compito della manutenzione di routine a costi inferiori, riducendo il costo complessivo della generazione di energia rinnovabile, che attualmente non ha un vantaggio competitivo poiché costa tipicamente molto più dei combustibili fossili. L’impiego di tali robot e la loro stabilità garantirebbero inoltre operazioni semplificate, senza la necessità di navi, elicotteri o attrezzature di sollevamento.

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

“Formando una previsione delle future perturbazioni delle onde e integrandola nel sistema di controllo, siamo in grado di ampliare questo intervallo con pochi o nessun cambiamento all’hardware del robot. Per quanto riguarda l’applicazione di questa tecnologia sul campo, si tratta di un enorme vantaggio che rende il nostro sistema applicabile alla maggior parte dei veicoli attualmente disponibili sul mercato.”

Inoltre, i risultati delle prove hanno dimostrato che il sistema presenta alti livelli di compatibilità con robot che operano a grandi profondità vicino alla superficie, dove le perturbazioni sono percepite in modo molto intenso.

In futuro, i ricercatori desiderano dotare la soluzione di maggiore autonomia affinché possa eseguire compiti precisi, come rilevare la ruggine o riparare apparecchiature elettriche, senza diventare instabile.

“Avanzare ulteriormente questa tecnologia potrebbe favorire un cambiamento radicale nell’adozione di robot senza equipaggio in mare e aumentare drasticamente il livello di automazione nel settore offshore.”

Mentre questa ricerca rende la produzione di energia rinnovabile offshore più economica ed 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 rassegna sulla valutazione dei danni basata su robot per turbine eoliche offshore o OWT. Di seguito alcuni degli aspetti cruciali dei risultati della rassegna.

Clicca qui per saperne di più sulla tecnologia delle turbine eoliche senza movimento.

Impiego di robot per valutare i danni nelle turbine eoliche offshore

La ricerca ha sottolineato che i robot possono svolgere il compito di valutazione automatizzata delle condizioni delle turbine eoliche offshore. Ha esaminato le possibilità di impiegare UAV, robot arrampicatori e robot subacquei per il monitoraggio e l’uso di fotografia, termografia e imaging a raggi X per rilevare anomalie.

Le turbine eoliche offshore sono soggette a numerosi fattori, tra cui ambienti ostili in cui carichi dinamici ed estremi compromettono la loro sicurezza e durata. I costi di installazione e manutenzione aumentano, provocando un incremento del costo complessivo della produzione di energia rinnovabile. Inoltre, esiste il rischio di degrado dei materiali causato dall’acqua salata del mare.

La ricerca afferma che i recenti progressi nella tecnologia robotica e negli algoritmi intelligenti possono aiutare a valutare i livelli di danno nelle OWT. Un robot dotato di un dispositivo NDE può essere operato da remoto o automaticamente per ispezionare le OWT; i dati ottenuti da questi dispositivi NDE possono essere analizzati con algoritmi intelligenti per la rilevazione, classificazione, localizzazione e quantificazione dei danni. Gli UAV, i robot arrampicatori e i robot subacquei possono inoltre assistere trasportando dispositivi come telecamere ottiche e a infrarossi, nonché apparecchiature a raggi X.

La ricerca ha dedotto che le ispezioni basate su robot potrebbero rappresentare ottime soluzioni per migliorare la sicurezza e offrire un alto livello di robustezza mantenendo i costi contenuti.

Osservando il valore che queste soluzioni offrono all’industria della produzione di energia rinnovabile, diverse aziende hanno sviluppato soluzioni commerciali in questo ambito. Di seguito alcuni esempi.

Clicca qui per scoprire se il vento può alimentare il mondo.

1. Aerones

Aerones è uno dei leader globali tra le aziende che offrono servizi robotizzati di manutenzione per turbine eoliche. L’azienda afferma di sfruttare la sua tecnologia robotica brevettata per i suoi team di servizio, al fine di fornire servizi più rapidi, sicuri ed efficaci per gli operatori eolici in tutto il mondo.

L’ambito dei servizi offerti da Aerones copre tutte le aree critiche del ciclo di vita di una turbina, inclusi ispezione, pulizia, riparazione e altro. Per l’ispezione, fornisce protezione contro i fulmini, ispezioni interne e con droni, e servizi di pulizia dei fori di drenaggio. Per la pulizia, Aerones si occupa della pulizia della torre e delle pale. Per i servizi di riparazione, la piattaforma robotica altamente sofisticata di Aerones aiuta nella preparazione della superficie, nell’applicazione di riempitivi, nella levigatura e nella protezione del bordo d’attacco, applicando un rivestimento protettivo per salvaguardare la superficie della pala dall’erosione per molti anni.

L’insieme unico di servizi robotici di Aerones non è progettato per sostituire gli esseri umani o sottrarre loro posti di lavoro. Richiede tecnici certificati che controllino gli strumenti dal comfort di un veicolo riscaldato. Grazie alla loro precisione e efficienza robotica, i servizi di Aerones riducono i tempi di inattività di 4‑6 volte e diminuiscono le soste inattive di 5‑10 volte. Il suo sistema proprietario fornisce servizi robotici di alta qualità ai tecnici delle turbine eoliche per ispezioni, pulizie, manutenzioni e riparazioni, mentre la sua piattaforma digitale basata su cloud raccoglie set di dati unici intersettoriali dalle ispezioni, consentendo una valutazione efficiente di piani di manutenzione preventiva più intelligenti e dei relativi budget.

Nel settembre 2024, Aerones ha ottenuto un finanziamento dal fondo per l’innovazione destinato a progetti infrastrutturali altamente innovativi, pronti per il mercato, scalabili e ambiziosi, mirati alla riduzione delle emissioni di CO2.

Aerones ha ricevuto 4,4 milioni di euro dal fondo per l’innovazione dell’UE. Il progetto, hanno spiegato, mira a completare le riparazioni delle turbine entro 18 ore, riducendo significativamente i tempi di inattività e contribuendo agli obiettivi climatici globali. Secondo i rapporti, il loro approccio dovrebbe ridurre del 67 % i tempi di riparazione, evitando 161.349 tonnellate di emissioni di CO₂ in un decennio e consentendo la produzione di ulteriori 918.320 MWh di energia elettrica rinnovabile.

Nel gennaio 2023, Aerones ha raccolto 30 milioni di dollari per ampliare i suoi servizi robotizzati e aumentare l’efficienza. Il round di finanziamento è stato co‑guidato dai nuovi investitori Lightrock e Haniel, con la partecipazione di Blume Equity e degli investitori esistenti Change Ventures, Metaplanet e Mantas Mikuckas, tra gli altri.

Aerones ha dichiarato che i fondi saranno utilizzati per potenziare le funzioni tecniche e commerciali, aumentare il numero di team di servizio robotizzati e espandersi in nuovi mercati in rapida crescita. Al momento della raccolta fondi, la gamma di soluzioni robotizzate di Aerones serviva già clienti che rappresentavano il 50 % della capacità eolica mondiale.

2. Bladebug

Un’altra azienda innovativa che risponde alle esigenze della prima industria eolica offshore in crescita, rendendole prevedibili ed efficienti, è Bladebug. L’azienda ha sviluppato robot avanzati per assistere i tecnici nell’ispezione e nella riparazione delle pale delle turbine, senza la necessità di accesso con corde. Le soluzioni robotiche di Bladebug offrono numerosi vantaggi: riducono le barriere all’adozione, minimizzano i tempi di inattività e prevengono la duplicazione degli sforzi.

I robot crawler di Bladebug possono essere operati fuori dalla linea di vista. Con il loro aiuto, i tecnici possono eseguire a distanza compiti di manutenzione senza i costi associati e senza essere esposti a condizioni avverse. Sono semi‑autonomi.

In secondo luogo, poiché è leggero, la velocità di distribuzione e la facilità d’uso sono molto superiori rispetto a molti concorrenti. Attraverso la soluzione robotica di Bladebug, i team O&M possono trattare i difetti prima che sia praticabile utilizzare un tradizionale team di accesso con corde. Questa manutenzione preventiva aumenta l’efficienza della turbina e massimizza l’energia a bassa emissione di carbonio generata.

Infine, il suo design modulare garantisce che il corpo del robot possa accettare diversi equipaggiamenti per test non distruttivi e riparazioni, rendendolo flessibile anche offshore.

Bladebug ha ricevuto un ampio supporto finanziario e 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

Nel maggio 2024, il Global Wind Energy Council ha segnalato che un record di 117 gigawatt di nuova capacità è stato installato a livello mondiale nel 2023. A causa della sfida di installare più hardware e di un aumento dei piani di manutenzione correlati, l’azienda danese Reblade ha creato una mini‑fabbrica di riparazione consegnata tramite droni.

Le soluzioni robotiche di Reblade per la riparazione delle pale includono sistemi plug‑and‑play per le squadre di manutenzione che consentono ai team di istruire e monitorare i progetti dal suolo. I robot di Reblade possono effettuare riparazioni dell’erosione con un robot per ogni attività, dalla pulizia e levigatura alla verniciatura e al rivestimento del bordo d’attacco delle pale delle turbine. Il sistema di riparazione consegnato via drone è personalizzabile, con ogni modulo in grado di fornire compiti e prodotti specifici in base alle preferenze e alle esigenze di ciascun cliente.

L’azienda ha affermato che i suoi robot sono estremamente rapidi ed efficienti, con i team di servizio che completano le riparazioni su due turbine intere in un solo giorno. Ha inoltre dichiarato che le sue soluzioni possono resistere a una varietà di condizioni meteorologiche, con i robot che operano senza problemi in località remote, riducendo i tempi e i costi di servizio 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 di marea: Il futuro

Nei prossimi giorni, migliorare l’efficienza dei parchi eolici offshore e delle turbine di marea richiederà maggiori sforzi nell’automazione dei processi di ispezione e manutenzione. Questi aspetti, oltre a migliorare la qualità del servizio, ridurranno significativamente le preoccupazioni sulla sicurezza, diminuendo la necessità di subacquei umani che lavorino in ambienti subacquei pericolosi.

Il passaggio dagli sforzi umani alle soluzioni robotiche coinvolgerà veicoli operati a distanza, imbarcazioni di superficie senza equipaggio e robot subacquei autonomi più sofisticati. Queste tecnologie opereranno con successo in condizioni pericolose o inaccessibili agli esseri umani, funzionando in una varietà di condizioni meteorologiche difficili, a maggiori profondità e per periodi più lunghi.

I ricercatori che operano in questo ambito hanno identificato diverse aree chiave che richiedono soluzioni più sofisticate. 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 svolta significativa.

I ricercatori stanno anche valutando l’uso dei gemelli digitali. Poiché i robot odierni sono in grado di tecnologie avanzate di mappatura 3D e ricostruzione, possono creare modelli tridimensionali dettagliati delle infrastrutture sottomarine. 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 svolta rivoluzionaria in questo campo è l’uso coordinato di USV e ROV. Le USV fungono da stazioni base mobili, distribuendo e coordinandosi con i ROV subacquei per eseguire ispezioni complete delle infrastrutture dei parchi eolici. I team che conducono tali operazioni beneficiano di AI avanzata e sistemi di controllo, che consentono a queste unità robotiche di navigare in ambienti subacquei complessi con notevole precisione ed efficienza.

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 numerosi. I benefici climatici derivano da una significativa riduzione delle emissioni di carbonio. Le aziende ne traggono vantaggio a lungo termine poiché queste soluzioni abbassano il costo complessivo della produzione di energia rinnovabile. Infine, i dipendenti, in particolare quelli legati alla manutenzione e all’ispezione, beneficiano di standard di sicurezza migliorati e della possibilità di lavorare in condizioni sostanzialmente prive di rischi.

Clicca qui per un elenco delle migliori azioni del settore eolico in cui investire.