I materiali compositi si stanno affermando nella costruzione di apparecchiature per l'industria idroelettrica. Un'analisi della resistenza dei materiali e di altri criteri rivela numerose altre applicazioni, in particolare per le unità di piccole e micro dimensioni.
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L'avvento di nuovi materiali offre interessanti opportunità per l'industria idroelettrica. Il legno, utilizzato nelle prime ruote idrauliche e nelle condotte forzate, è stato in parte sostituito da componenti in acciaio all'inizio del XIX secolo. L'acciaio mantiene la sua resistenza anche a elevati carichi di fatica e resiste all'erosione da cavitazione e alla corrosione. Le sue proprietà sono ben note e i processi di fabbricazione dei componenti sono ben consolidati. Per le grandi centrali, l'acciaio rimarrà probabilmente il materiale di elezione.
Tuttavia, data la diffusione di turbine di piccole dimensioni (inferiori a 10 MW) e micro-dimensioni (inferiori a 100 kW), i materiali compositi possono essere utilizzati per ridurre il peso, i costi di produzione e l'impatto ambientale. Ciò è particolarmente rilevante, considerando la continua necessità di incrementare l'approvvigionamento di energia elettrica. La capacità idroelettrica mondiale installata, pari a quasi 800.000 MW secondo uno studio del 2009 di Norwegian Renewable Energy Partners, rappresenta solo il 10% dell'energia idroelettrica economicamente realizzabile e il 6% di quella tecnicamente realizzabile. Il potenziale per rendere economicamente redditizia una quota maggiore dell'energia idroelettrica tecnicamente realizzabile aumenta grazie alla capacità dei componenti in materiale composito di fornire economie di scala.
Produzione di componenti compositi
Per produrre la condotta forzata in modo economico e con una resistenza elevata e costante, il metodo migliore è l'avvolgimento di filamenti. Un grande mandrino viene avvolto con fasci di fibre che sono stati immersi in un bagno di resina. I fasci vengono avvolti con motivi circonferenziali ed elicoidali per creare resistenza alla pressione interna, alla flessione longitudinale e alla movimentazione. La sezione dei risultati riportata di seguito mostra il costo e il peso per metro per le due dimensioni di condotta forzata, sulla base di un preventivo di fornitori locali. Il preventivo indicava che lo spessore di progetto era determinato dai requisiti di installazione e movimentazione, piuttosto che dal carico di pressione relativamente basso, e per entrambe le dimensioni era di 2,28 cm.
Per la produzione delle paratoie e delle alette di sostegno sono stati presi in considerazione due metodi di fabbricazione: la laminazione a umido e l'infusione sottovuoto. La laminazione a umido utilizza un tessuto asciutto, che viene impregnato versando la resina sul tessuto e utilizzando dei rulli per spingerla all'interno. Questo processo non è pulito come l'infusione sottovuoto e non sempre produce la struttura più ottimizzata in termini di rapporto fibra-resina, ma richiede meno tempo. L'infusione sottovuoto prevede la deposizione di fibre asciutte con il corretto orientamento; la pila di fibre asciutte viene quindi confezionata sottovuoto e vengono aggiunti raccordi che conducono a un sistema di alimentazione della resina, che viene aspirata nel componente quando viene applicato il vuoto. Il vuoto contribuisce a mantenere la quantità di resina a un livello ottimale e riduce il rilascio di composti organici volatili.
Il corpo della spirale verrà realizzato mediante laminazione manuale in due metà separate su uno stampo maschio per garantire una superficie interna liscia. Queste due metà verranno poi incollate insieme con l'aggiunta di fibre all'esterno nel punto di incollaggio per garantire un'adeguata resistenza. Il carico di pressione nel corpo della spirale non richiede un composito avanzato ad alta resistenza, quindi sarà sufficiente una laminazione a umido di tessuto di fibra di vetro con resina epossidica. Lo spessore del corpo della spirale è stato determinato in base agli stessi parametri di progettazione della condotta forzata. L'unità da 250 kW è una macchina a flusso assiale, quindi non è presente un corpo della spirale.
La girante di una turbina combina una geometria complessa con elevati requisiti di carico. Studi recenti hanno dimostrato che è possibile realizzare componenti strutturali ad alta resistenza utilizzando un SMC preimpregnato tagliato, con eccellente resistenza e rigidità.⁵ Il braccio della sospensione della Lamborghini Gallardo è stato progettato utilizzando più strati di un SMC preimpregnato tagliato, noto come composito forgiato, stampato a compressione per ottenere lo spessore richiesto. Lo stesso metodo può essere applicato alle giranti Francis e dell'elica. La girante Francis non può essere realizzata in un unico pezzo, poiché la complessità della sovrapposizione delle pale impedirebbe l'estrazione del componente dallo stampo. Pertanto, le pale, la corona e la fascia della girante vengono prodotte separatamente e poi incollate insieme e rinforzate con bulloni che passano attraverso l'esterno della corona e della fascia.
Sebbene il tubo di aspirazione sia più facilmente realizzabile mediante avvolgimento di filamenti, questo processo non è stato commercializzato per le fibre naturali. Pertanto, è stata scelta la laminazione manuale, in quanto metodo di produzione standard, nonostante i costi di manodopera più elevati. Utilizzando uno stampo maschio simile a un mandrino, la laminazione può essere completata con lo stampo in posizione orizzontale e poi ruotato in posizione verticale per la polimerizzazione, evitando cedimenti su un lato. Il peso dei componenti in composito varierà leggermente a seconda della quantità di resina presente nel pezzo finito. Questi valori si basano su un peso di fibra del 50%.
I pesi totali delle turbine da 2 MW in acciaio e in materiale composito sono rispettivamente di 9.888 kg e 7.016 kg. Le turbine da 250 kW in acciaio e in materiale composito pesano rispettivamente 3.734 kg e 1.927 kg. I totali si basano sull'ipotesi di 20 paratoie per ciascuna turbina e di una condotta forzata di lunghezza pari al salto idraulico della turbina. È probabile che la condotta forzata sia più lunga e richieda raccordi, ma questo valore fornisce una stima di base del peso dell'unità e delle relative periferiche. Il generatore, i bulloni e i dispositivi di azionamento delle paratoie non sono inclusi e si presume che siano simili tra le unità in materiale composito e in acciaio. Vale anche la pena notare che la riprogettazione della girante, necessaria per tenere conto delle concentrazioni di stress rilevate nell'analisi agli elementi finiti (FEA), aggiungerebbe peso alle unità in materiale composito, ma si presume che la quantità sia minima, dell'ordine di 5 kg, per rinforzare i punti di concentrazione delle sollecitazioni.
Considerando i pesi indicati, la turbina composita da 2 MW e la sua condotta forzata potrebbero essere sollevate dal veloce V-22 Osprey, mentre la macchina in acciaio richiederebbe un elicottero birotore Chinook, più lento e meno manovrabile. Inoltre, la turbina composita da 2 MW e la condotta forzata potrebbero essere trainate da un F-250 4×4, mentre l'unità in acciaio richiederebbe un camion più grande, difficile da manovrare su strade forestali qualora l'installazione fosse in una zona remota.
Conclusioni
È possibile costruire turbine con materiali compositi, ottenendo una riduzione di peso dal 50% al 70% rispetto ai componenti in acciaio convenzionali. La riduzione di peso consente l'installazione di turbine in materiale composito anche in luoghi remoti. Inoltre, l'assemblaggio di queste strutture composite non richiede attrezzature di saldatura. I componenti richiedono anche un minor numero di parti da imbullonare, poiché ogni pezzo può essere realizzato in una o due sezioni. Nelle piccole produzioni simulate in questo studio, il costo degli stampi e delle altre attrezzature rappresenta la voce di spesa predominante per i componenti.
Le piccole serie di test qui indicate mostrano i costi necessari per avviare ulteriori ricerche su questi materiali. Tale ricerca potrebbe affrontare i problemi di erosione da cavitazione e di protezione dai raggi UV dei componenti dopo l'installazione. Potrebbe essere possibile utilizzare rivestimenti elastomerici o ceramici per ridurre la cavitazione o garantire che la turbina funzioni in regimi di portata e prevalenza che ne impediscano la formazione. Sarà fondamentale testare e risolvere questi e altri problemi per garantire che le unità possano raggiungere un'affidabilità simile a quella delle turbine in acciaio, soprattutto se installate in aree in cui la manutenzione sarà poco frequente.
Anche per piccole produzioni, alcuni componenti in materiale composito possono risultare economicamente vantaggiosi grazie alla minore manodopera necessaria per la produzione. Ad esempio, la realizzazione di un involucro a spirale per l'unità Francis da 2 MW costerebbe 80.000 dollari se saldato in acciaio, rispetto ai 25.000 dollari necessari per la produzione in materiale composito. Tuttavia, ipotizzando una progettazione efficace delle giranti della turbina, il costo di stampaggio delle giranti in materiale composito è superiore a quello di componenti equivalenti in acciaio. La girante da 2 MW costerebbe circa 23.000 dollari se realizzata in acciaio, contro i 27.000 dollari necessari per la realizzazione in materiale composito. I costi possono variare a seconda della macchina. Inoltre, il costo dei componenti in materiale composito si ridurrebbe considerevolmente con produzioni più elevate, qualora gli stampi potessero essere riutilizzati.
I ricercatori hanno già studiato la costruzione di giranti per turbine in materiali compositi.⁸ Tuttavia, questo studio non ha affrontato il problema dell'erosione da cavitazione e la fattibilità della costruzione. Il passo successivo per le turbine in materiale composito è progettare e costruire un modello in scala che permetta di dimostrare la fattibilità e l'economicità della produzione. Questa unità potrà quindi essere testata per determinarne l'efficienza e l'applicabilità, nonché i metodi per prevenire un'eccessiva erosione da cavitazione.
Data di pubblicazione: 15 febbraio 2022
