Come Fibra

Yuxin Wu (per gentile concessione di Yuxin Wu)

In acque poco profonde, le turbine eoliche offshore sono fissate al fondale oceanico. Tuttavia, nelle aree di acque profonde dove i venti sono generalmente più forti e hanno la capacità di raccogliere più del doppio dell’energia, le turbine eoliche offshore galleggianti devono essere ancorate al fondale marino dove l’oceano è troppo profondo per strutture fisse. L’energia eolica offshore galleggiante (FOSW) è una delle tecnologie di energia pulita più promettenti con un mercato potenziale del valore di quasi 16 miliardi di dollari, ma sono necessarie soluzioni scientifiche e tecnologiche per contribuire a ridurre i costi di sviluppo, implementazione e manutenzione di questi sistemi complessi.

Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia stanno sviluppando tecnologie di rilevamento costituite da cavi in ​​fibra ottica, che potrebbero essere installati su strutture FOSW progettate al largo della costa della California. Ciò consentirebbe alle strutture di automonitorare le condizioni dannose che potrebbero portare a costose riparazioni e aiuterebbe anche a valutare l’impatto del FOSW sui mammiferi marini rilevandone l’attività.

In collaborazione con esperti in scienza dei materiali, ingegneria, geofisica e sviluppatori FOSW di tutto il mondo, lo scienziato del Berkeley Lab Yuxin Wu sta ora lavorando per sviluppare soluzioni per ridurre i costi di sviluppo e implementazione del FOSW, riducendo al minimo i potenziali impatti ambientali.

D. Qual è il più grande ostacolo all’espansione delle tecnologie eoliche offshore galleggianti?

Wu: Finora ci sono state poche implementazioni FOSW perché la tecnologia è nelle prime fasi di sviluppo. Attualmente, nessun sistema di questo tipo è stato implementato a una profondità vicina ai 1.000 metri. Vogliamo sfruttare l’innovazione scientifica co-progettando materiali strutturali che siano in grado di resistere meglio agli ambienti marini difficili e agli eventi meteorologici estremi. E vogliamo aggiungere il rilevamento distribuito in fibra ottica ai sistemi FOSW per consentire ai sistemi di monitorare automaticamente in tempo reale potenziali problemi, una capacità che potrebbe prolungare la durata di vita di un sistema e ridurre i costi operativi e di manutenzione.

D. In che modo il vostro team applica il rilevamento in fibra ottica a queste innovazioni?

Wu: Un cavo in fibra ha un nucleo di vetro che permette di inviare un segnale ottico alla velocità della luce; quando si verificano vibrazioni, sollecitazioni o cambiamenti di temperatura del materiale da monitorare, tali informazioni verranno trasportate nel segnale luminoso che viene disperso indietro. Quando è attaccato o incorporato all'interno della struttura della turbina eolica, questo gli conferisce un "sistema nervoso" che gli permette di "sentire" e "sentire". La fibra è in grado di monitorare i segnali acustici circostanti, come i richiami delle balene, che possono aiutare gli scienziati a valutare i potenziali impatti sui grandi mammiferi marini derivanti dalle operazioni FOSW.

Abbiamo testato l'implementazione di questa tecnologia di rilevamento su componenti strutturali, come torri e turbine, per monitorare le condizioni fisiche e meccaniche sperimentate dalla struttura stessa, come la temperatura o la deformazione. La nostra ricerca finora si è concentrata sui test della fibra ottica sulla torre e sul riduttore, alcuni dei componenti più costosi dove è vantaggioso identificare i danni prima che causino problemi.

D. Quanto è importante la scienza dei materiali per ridurre il costo dei sistemi eolici offshore galleggianti?

Wu: Rivelando ciò che sta accadendo all’interno di un sistema FOSW in tempo reale, il rilevamento in fibra ottica ci fornisce le conoscenze necessarie per sviluppare materiali più resilienti ed economici a livello di sistema. La progettazione di sistemi FOSW a costi inferiori e in grado di resistere agli ambienti marini difficili richiede una scienza dei materiali all'avanguardia combinata con l'informatica per produrre materiali migliori e simulare efficacemente le prestazioni dei materiali. È possibile sviluppare materiali per conferire alle strutture capacità di autoriparazione; ad esempio, l'intrusione di acqua di mare in una fessura del calcestruzzo innesca reazioni per sigillare la fessura senza interventi.

Collaboriamo con esperti in scienza dei materiali e simulazioni dalla scala molecolare a quella strutturale per realizzare innovazioni che hanno un grande potenziale per i futuri sistemi galleggianti in acque profonde grazie al loro grande potenziale di risparmio sui costi, alla producibilità locale, alle migliori prestazioni e alla sostenibilità ambientale. Le strutture per gli utenti del DOE presso il Berkeley Lab, come la Fonderia Molecolare, l'Advanced Light Source e il National Energy Research Scientific Computing Center, svolgono un ruolo chiave nel facilitare le innovazioni nella nostra ricerca.