Al National Renewable Energy Laboratory, un gruppo di esperti unisce le forze per affrontare le serie sfide poste dalle turbine eoliche.

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l vento può rispondere, almeno in parte, ai problemi energetici del pianeta.

Molti esperti ritengono che in alcune aree geografiche l’energia eolica possa coprire almeno il 50 percento del fabbisogno di elettricità. L’Europa si è posta questo traguardo entro il 2050, mentre gli Stati Uniti intendono aumentare la quota al 20 percento entro il 2030.

Le potenzialità sono molteplici, tuttavia convertire l’energia cinetica del vento in energia meccanica e poi in altre forme di energia presenta numerose difficoltà.

I principali strumenti che consentono di attuare questa conversione sono le turbine eoliche, macchine straordinariamente complesse, che impongono requisiti severi in termini di precisione, temperatura, umidità, peso, sollecitazioni meccaniche e vibrazioni.

L’affidabilità dei rotismi delle turbine, che in alcuni casi si rompono prima di tre anni, è uno dei problemi più frequenti.

“I sistemi d’ingranaggi delle turbine eoliche si guastano prima dei 20 anni di durata previsti”, dice Jeroen van Dam, ingegnere collaudatore presso il National Renewable Energy Laboratory (NREL), il centro gestito dal Dipartimento dell’Energia americano, che ricerca, sviluppa, commercializza e diffonde le tecnologie correlate alle energie rinnovabili.

Il cedimento prematuro dei sistemi d’ingranaggi ha una seria incidenza economica, poiché al costo iniziale, di per sé già molto elevato, si aggiungono quelli imputabili ai fermi non programmati e ai conseguenti interventi di manutenzione, riparazione, sostituzione, ricostruzione, oltre alla necessità di aumentare le scorte di sicurezza.

Il fenomeno riguarda, secondo van Dam, l’intero settore e non un particolare produttore o una linea di produzione: “Forse è stato trascurato qualcosa in fase di progettazione”.

Nell’intento di aumentare l’affidabilità delle turbine eoliche, nel 2007 il NREL ha formato un consorzio, il Gearbox Reliability Collaborative, composto da ricercatori, università, operatori, consulenti e costruttori di cuscinetti, compresa la SKF. Il Dipartimento dell’Energia ha fornito alcune risorse, compresa una struttura di 700 m² che ospita un dinamometro da 2,5 megawatt per il collaudo delle turbine.

La McNiff Light Industries, società di consulenza nel settore eolico, ha offerto il proprio contributo al gruppo e il suo presidente, Brian McNiff, si è adoperato per convincere l’American Wind Energy Association a sottoscrivere il programma che porterà al 20 percento la quota di energia eolica.

“Siamo una piccola azienda e partecipare all’iniziativa costa parecchio, ma insieme ad altre persone diventa fattibile”, dice McNiff.

Van Dam racconta che il gruppo ha costruito due sistemi d’ingranaggi identici, di pubblico dominio (per evitare problemi inerenti alla proprietà intellettuale e alla privacy), i quali sono sottoposti a prove estensive per chiarire i fenomeni fisici che soggiacciono ai cedimenti.

Le prove eseguite con il dinamometro riguardano la coppia, la flessione e i carichi, mentre quelle eseguite sul campo prendono in considerazione la turbolenza.

“I dati sono stati acquisiti sia mediante il dinamometro, in condizioni di prova controllate, sia con test eseguiti direttamente sulla turbina. I risultati servono a convalidare i modelli e a svilupparne di nuovi. Abbiamo anche creato un apposito database che può essere utile agli operatori e alle officine per documentare i guasti dei sistemi d’ingranaggi”, riferisce van Dam.

I ricercatori non hanno ancora scoperto le cause dei cedimenti prematuri di questi componenti, tuttavia la ricerca ha fornito “numerosi approfondimenti”, che hanno permesso di ampliare la conoscenza sui fenomeni che avvengono all’interno dei rotismi e, di conseguenza, di modellare in modo più consono il comportamento dei componenti.

Complessivamente sono stati acquisiti 130 canali di dati, compresi quelli sulla tensione interna dei cuscinetti planetari, le sollecitazioni lungo i denti d’ingranaggio e le inflessioni dell’albero.

Van Dam dice che il consorzio intende catalogare tutti i dati acquisiti al fine di definire la fase successiva, che prevede prove sia pratiche sia mediante il dinamometro.

“Potrebbero essere apportate modifiche di lieve entità ai rotismi per studiarne gli effetti, oppure saranno adottati ulteriori strumenti o condizioni di carico differenti. Ci aspettiamo che le nuove conoscenze confluiscano negli standard internazionali di progettazione e collaudo dei sistemi d’ingranaggi”.

Il contributo di BEAST e Orpheus

L’apporto della SKF è determinante ai fini del miglioramento dei rotismi per le turbine eoliche. Come partner del consorzio Gearbox Reliability Collaborative, del National Renewable Energy Laboratory, la SKF ha messo a disposizione due strumenti di simulazione, BEAST e Orpheus, dei quali detiene il brevetto.

Greg Zimmerman, del Product Development and Testing dell’SKF Aeroengine North America, spiega che entrambi gli strumenti permettono agli ingegneri di eseguire valutazioni dettagliate dell’applicazione, compresi il comportamento dinamico dei cuscinetti volventi e la loro interazione con i sistemi d’ingranaggi.

“Sono molti i programmi che permettono di eseguire simulazioni di cuscinetti, la maggior parte dei quali, però, offre rappresentazioni che di solito non tengono conto della gabbia o riproducono modelli semplificati”, commenta Zimmerman. “BEAST simula in modo dettagliato la complessità dei cuscinetti volventi più moderni, che agiscono da collegamento tra parti statiche e parti in rotazione e risultano spesso fondamentali per determinare il comportamento dell’intera applicazione”.

Zimmerman riferisce che per il processo di modellazione la SKF si avvale della metodologia Design for Six Sigma (DfSS), la quale permette di valutare al meglio i sistemi di cuscinetti prescelti. “Il metodo DfSS fornisce un approccio strutturato per identificare i parametri di funzionamento che influiscono direttamente sulle prestazioni”.

Gli strumenti SKF saranno messi a confronto con i dati delle prove e altri strumenti utilizzati dall’industria. I risultati derivanti contribuiranno a far comprendere i vantaggi e i limiti delle condizioni della trasmissione.