Hội chợ năng lượng gió WindEnergy Hamburg 2022 sắp tới sẽ giới thiệu những tiến bộ mới nhất về điện gió ngoài khơi, những sáng tạo, đổi mới cũng như việc gia tăng của cả phần cứng và phần mềm liên quan đến mạng lưới chuỗi cung ứng và dịch vụ đang được mở rộng một cách nhanh chóng trong lĩnh vực này.

Cho đến nay, các trụ điện gió nổi ngoài khơi vẫn chiếm một phân khúc khá nhỏ so với trụ điện gió cố định ở đáy (biển) nhưng nó đang phát triển song song về khối lượng, quy mô tua-bin và dự án. Kỳ vọng về cơ hội thị trường sản phẩm đặc biệt cao ở các quốc gia và khu vực có độ sâu nước biển vượt quá phạm vi 50 – 60m. Tuy nhiên, đối với một số phát triển trụ điện nổi cụ thể cho thấy rằng; phạm vi độ sâu tối thiểu này hiện đã giảm xuống còn 40m và thậm chí còn ít hơn, điều này có thể biến gió nổi thành đối thủ cạnh tranh trực tiếp đáng gờm cho các giải pháp trụ điện gió cố định dưới đáy biển.

Hình ảnh của Aerodyn Engineering Gmbh

Cấu hình của trụ điện gió nổi

Các giải pháp phần cứng chuyên dụng hiện bao gồm các thiết bị nổi với một hoặc nhiều tuabin và các cấu hình gió lên và hướng xuống, mỗi giải pháp yêu cầu các giải pháp chuyên dụng cụ thể. Các thách thức kỹ thuật đang diễn ra đang được giải quyết và nâng cao song song bao gồm hệ thống neo đơn và đa điểm, neo, hệ thống cáp và dây xích, và cáp vận chuyển điện linh hoạt.

Một thách thức lớn đang diễn ra là tiếp tục giảm chi phí tạo ra dựa trên vòng đời (LCoE) của trụ điện gió nổi, với việc công nghiệp hóa các thiết kế phao nổi là mục tiêu tổng thể chính của ngành điện gió.

Một ví dụ về thiết kế phao nổi công nghiệp hóa như vậy là TetraSpar của Công ty Henrik Stiesdal, một cấu trúc tứ diện nhẹ bao gồm các hình tam giác và được lắp ráp từ (chủ yếu) các thành phần thép hình ống sản xuất trước từ nhà máy. Nguyên mẫu vừa hoàn thành với tuabin dẫn động trực tiếp Siemens Gamesa 3,6MW trên đỉnh sẽ sớm được thử nghiệm ngoài khơi bờ biển Na Uy ở vùng nước sâu 200 mét.

Bộ phận Năng lượng gió tại Công ty DTU ở Đan Mạch đã xây dựng bí quyết toàn diện về thiết kế và đánh giá các phao điện nổi, Trưởng bộ phận thiết kế tuabin gió của DTU ông Kenneth Thomsen cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng công cụ mô phỏng HAWC2 của mình cho hầu hết các khái niệm nổi từ Hywind đến TetraSpar và thiết kế tự định hướng theo hướng gió. Động lực học của mỗi máy bay nổi và tuabin luôn là tác động qua lại giữa tải của rôto, lực ép của sóng biển và điều khiển sóng – trong các điều kiện cụ thể của địa điểm lắp đặt. Giảm xóc cũng là yếu tố then chốt và vẫn yêu cầu các bài kiểm tra mô hình trở nên chính xác ”.

Ông giải thích thêm về năm chiến dịch thử nghiệm mô hình được thực hiện với mô hình tỷ lệ 1:60 của tuabin tham chiếu DTU 10MW của DTU trên các phao nổi khác nhau với sự hợp tác của công ty DHI. Mô hình này đã khiến các nhà nghiên cứu phải cân nhắc rất nhiều về việc chuẩn hóa mô hình như một đầu vào cho các nghiên cứu thiết kế tiếp theo.

“Trụ điện gió nổi là biên giới mới của điện gió ngoài khơi và bộ phần mềm mô phỏng tiêu chuẩn ngành của chúng tôi đã được điều chỉnh để thiết kế chính xác các cấu hình của phao nổi, thông qua việc sử dụng cho các dự án trình diễn trong ngành trong 15 năm qua. WindEnergy Hamburg 2022 sẽ là nền tảng quan trọng để DTU Wind Energy trình bày bí quyết, cơ sở thử nghiệm và các giải pháp thương mại của chúng tôi ”, ông Thomsen kết luận.

Các dự án trình diễn

Hai nhà cung cấp chính, công ty Siemens Gamesa và Vestas, cho đến nay đã cung cấp số lượng lớn các tuabin để trình diễn nguyên mẫu và các dự án gió nổi bán thương mại ngoài khơi đầu tiên. Quy mô tuabin do đó đã tăng lên từ các dự án nguyên mẫu đơn nguyên công suất 2-2,3MW ban đầu, hướng tới các dự án bán thương mại quy mô lớn hơn với 3-5 tuabin công suất 6-10MW mỗi tuabin và các dự án thương mại hoàn chỉnh ngày càng lớn hơn trong bước dự kiến ​​lớn tiếp theo.

Siemens Gamesa bắt đầu tham gia phân khúc gió nổi với dự án Hywind Demo năm 2009 ở bờ biển Na Uy, liên quan đến một máy bay nổi và tuabin 2.3MW SWT-2.3-82 VS (Tốc độ thay đổi). Dự án hoạt động thứ hai vào năm 2017 trở thành Hywind Scotland, hiện kết hợp các tuabin truyền động trực tiếp 5x 6MW SWT-6.0-154, một lần nữa được đưa lên đỉnh phao nổi kiểu spar. Hai dự án bổ sung liên quan đến tổng số 14 tuabin SG 8.0-167 là Hywind Tampen (11) ở Na Uy và một dự án 3 tuabin ở Pháp.

Trưởng bộ phận Offshore BoP (Balance of Plant) ông Jesper Möller nói rằng chiến lược tổng thể của công ty là sử dụng phần cứng tuabin có thể so sánh được cho các dự án điện gió nổi, với phần mềm tùy chỉnh phù hợp với các thiết kế phao nổi khác nhau: “Thị trường điện gió nổi vẫn có khả năng xảy ra trong ngắn hạn và trung bình- giới hạn về khối lượng và trọng tâm thị trường sản phẩm của chúng tôi là tiếp tục kéo dài các kích thước tuabin được thiết kế để sản xuất hàng loạt. Vẫn còn nhiều khó khăn để dự đoán những gì sẽ xảy ra trong tương lai và với tốc độ như thế nào. Chìa khóa cho chúng tôi là tránh xa những suy nghĩ viển vông và luôn ghi nhớ một thực tế rằng các dự án lớn và nhỏ đều tốn thời gian như nhau. Trong thời gian chờ đợi, chúng tôi cố gắng bán càng nhiều tua-bin điện gió nổi càng tốt và giữ vị trí dẫn đầu với những phát triển này, sử dụng đội tua-bin mà chúng tôi đã có”.

Tốc độ sản xuất

Ông nói thêm rằng một khía cạnh quan trọng đối với điện gió nổi là làm cho chúng được công nghiệp hóa phù hợp với tốc độ sản xuất tuabin, và công ty Siemens Gamesa tích cực hỗ trợ các chủ sở hữu khái niệm (nhà phát triển) điện gió nổi trong việc hiểu về công nghiệp hóa. Một chủ đề khác mà Möller đề cập là mức độ phức tạp của công nghệ gió có thể chấp nhận được đối với các ứng dụng nổi liên quan đến việc sửa chữa / trao đổi linh kiện (chính) như một phần không thể thiếu của việc duy trì tài sản trong vòng đời hoạt động. Ông nêu bật ba giải pháp và chiến lược chính được liên kết với nhau:

“Công cụ đầu tiên là phát triển các công cụ chuyên dụng cho phép sửa chữa tại chỗ, công cụ thứ hai là phát triển các cần trục nổi có bù 3D chuyên dụng cho các hoạt động khắc phục phức tạp hơn và công trình lắp đặt lỗi kéo thứ ba trên bờ để trao đổi toàn bộ. Định luật Murphy luôn luôn tồn tại. Điều này có thể xảy ra chẳng hạn khi một bộ phận bị lỗi được đặt ở vị trí xấu nhất có thể trong một chuỗi tua-bin và / hoặc phải đối phó với các vấn đề cáp mềm tại hiện trường song song và / hoặc các vấn đề về neo. Điều này có thể dẫn đến một số tuabin ngừng hoạt động để sửa chữa công việc trên một tuabin duy nhất”.

Möller cũng kỳ vọng rằng có thể có các trạm biến áp thu điện nổi trong vòng 8-10 năm và sau đó các trạm biến áp này sẽ hoạt động ở cấp nguồn cấp vào 132kV thay vì điện áp bán tiêu chuẩn 66kV hiện tại cho hệ thống cáp liên mảng. Lý tưởng nhất là các cáp liên kết các tuabin riêng lẻ trở thành sự kết hợp của các đoạn cáp ngắn, có độ mềm dẻo cao khi cần thiết và cáp không linh hoạt, ít tốn kém hơn bất cứ khi nào có thể. “Vẫn còn rất nhiều việc phải làm và điều quan trọng là phải liên tục tìm ra những cách làm việc thông minh hơn. Điều này về lâu dài có thể dẫn đến việc Siemens Gamesa phát triển các giải pháp tuabin lai để nổi. Tuy nhiên, các tuabin chuyên dụng cho các ứng dụng điện gió nổi vẫn chưa được đưa ra bàn xét từ góc độ ngắn hạn đến trung hạn. Điều đáng khích lệ đối với tương lai của điện gió nổi là sự kết hợp giữa các tuabin ngày càng lớn hơn và các trụ điện nổi lớn hơn sẽ hoạt động tốt. Điều này sẽ cùng với quá trình công nghiệp hóa đang diễn ra trở thành chìa khóa trong việc thúc đẩy hơn nữa CAPEX điện nổi và LCOE điện gió nổi ”, ông kết luận.

Các cấu trúc khác nhau

Công ty Vestas đã đi tiên phong trong lĩnh vực điện gió nổi của mình bằng cách cung cấp một tuabin V80-2,0 MW cho nguyên mẫu WindFloat bán phụ của Principle Power được lắp đặt ngoài khơi Aguçadoura, Bồ Đào Nha, vào cuối năm 2011. V164-8.0 MW ra mắt lần đầu tiên vào năm ngoái với ba tổ máy cho WindFloat Atlantic ở Bồ Đào Nha. 14 tuabin V164 nữa tại các cấu trúc nổi khác nhau được lên kế hoạch trong bốn dự án từ năm nay (5) đến năm 2023.

Ông Pablo Necochea là kỹ sư trưởng nhóm thiết bị nổi của Vestas. Ông giải thích rằng với các dự án nổi kết hợp tuabin V164-9,5 / 10,0 MW, cả tháp và bộ điều khiển đều được điều chỉnh, trong khi trục và rôto vẫn không thay đổi: “Phần quan trọng trong sự tham gia của chúng tôi là hỗ trợ các nhà thiết kế nổi riêng lẻ trong việc tối ưu hóa thiết kế của họ, nhằm mục đích tích hợp tối ưu các giải pháp ở cấp hệ thống tuabin-phao. Sự thích ứng của tháp chính đang tăng độ dày thành vách với lợi ích khối lượng chính bổ sung mang lại sự tự do và linh hoạt hơn trong các thiết kế điện gió nổi, đặc biệt là liên quan đến cải thiện hiệu suất hoạt động, giảm khối lượng và chi phí. Các thay đổi đối với bộ điều khiển tập trung vào việc tối ưu hóa hành vi động của hệ thống và bao gồm sự hỗ trợ của các giải pháp trụ nổi đang hoạt động”.

Ông nói thêm rằng một nhận thức sai lầm phổ biến là coi các khái niệm có hành vi chuyển động hạn chế là ưu việt hơn và thay vào đó độ nghiêng lớn hơn dẫn đến các giải pháp tổng thể rẻ hơn nhẹ hơn. Do đó, điều cốt yếu là sự hợp tác giữa OEM tuabin, nhà thiết kế trụ điện nổi và nhà phát triển dự án là ‘bên trả tiền!’

Ông Necochea quan sát và bổ sung rằng các trụ nổi của CAPEX là yếu tố đóng góp chính vào tổng chi phí đầu tư hệ thống. “Yếu tố quan trọng là phải đẩy mạnh công nghiệp hóa các thiết kế phao nổi, để tăng khối lượng cùng với giảm chi phí lớn. Ngành đóng tàu và các ngành công nghiệp khác đã có kinh nghiệm rất lớn với việc chế tạo thép khối lượng lớn, bao gồm cả khả năng tái tạo của nó. Tuy nhiên, bê tông cũng có một vai trò như trong những hoàn cảnh thị trường mà nhu cầu sản xuất của địa phương. Ông kết luận rằng sự ưa chuộng hiện tại của các nhà phát triển đối với dòng tuabin V164 của chúng tôi thay vì kiểu chị em V174-9,5 MW mới nhất có thể được giải thích bởi hồ sơ theo dõi ngoài khơi và do đó, sự quen thuộc của ngành công nghiệp gió, cùng với thời gian dài của các dự án gió nổi hiện tại”, ông kết luận.

Lớn và lớn nhất

Trong một dự án khác, công ty General Electric (GE) có trụ sở tại Hoa Kỳ đã phát triển một giải pháp nổi 12MW, hợp nhất nền tảng tuabin Haliade -X 12-14MW của GE với trụ nổi PelaStar do công ty Glosten của Mỹ phát triển.

Cuối cùng, một phát triển khác được xây dựng dựa trên ý tưởng nhiều cánh quạt cũ gần thế kỷ được trình bày bởi một nguyên mẫu 15MW + của Nezzy2 của công ty Aerodyn-engineering hiện đang được chế tạo ở Trung Quốc. Thiết kế cấp tiến này có hai tuabin gió xuôi chiều quay ngược nhau gần nhau, công suất ít nhất 7,5MW, mỗi tuabin với các cánh quạt 160m + tương ứng. Các tính năng nâng cao khác dành riêng cho sản phẩm bao gồm nền tảng hệ thống neo đơn điểm, loại bỏ hệ thống ngàm và một phao nổi hình chữ Y bằng bê tông rỗng không thông thường.

Để xem các tin bài khác về “Điện gió ngoài khơi”, hãy nhấn vào đây.

 

(Nguồn: Eize de Vries/ Wind Energy Hamburg)