نیروگاه بادی Horns Rev دانمارک

نیروگاه بادی Horns Rev (به‌صورت رسمی Horns Rev 1) اولین مزرعه بادی دریایی در مقیاس بزرگ جهان است که در دریای شمال، حدود ۱۴ تا ۲۰ کیلومتری غرب دانمارک قرار دارد. پروژه در سال ۲۰۰۲ به بهره‌برداری رسید و به‌عنوان یک نقطه عطف تاریخی در صنعت انرژی بادی دریایی شناخته می‌شود.

Horns Rev 1 شامل ۸۰ توربین بادی با ظرفیت مجموع ۱۶۰ مگاوات است. پروژه توسط شرکت Elsam (اکنون بخشی از Ørsted) و با سرمایه‌گذاری مشترک با Vattenfall توسعه یافت. هزینه ساخت آن حدود ۲۷۰ میلیون یورو بود. موفقیت این پروژه راه را برای ساخت Horns Rev 2 (۲۰۹ مگاوات، سال ۲۰۰۹) و Horns Rev 3 (۴۰۷ مگاوات، سال ۲۰۱۹) هموار کرد که در حال حاضر بزرگ‌ترین مزرعه بادی دریایی دانمارک محسوب می‌شود. منطقه Horns Rev به دلیل عمق کم آب (۶ تا ۱۴ متر)، سرعت باد بالا (میانگین سالانه بیش از ۹٫۵ متر بر ثانیه در ارتفاع ۶۲ متری) و بستر سنگی مناسب، یکی از بهترین مکان‌های جهان برای احداث توربین بادی دریایی است. در مجموع سه فاز Horns Rev تا پایان ۲۰۲۴ بیش از ۷۷۷ مگاوات ظرفیت نصب‌شده دارند.

فناوری توربین‌های نصب‌شده نیروگاه بادی Horns Rev

در Horns Rev 1 از توربین‌های Vestas V80-2.0 MW استفاده شده است. این توربین‌ها در زمان خود پیشرفته‌ترین توربین دریایی جهان بودند:

• ظرفیت هر توربین: ۲ مگاوات
• قطر روتور: ۸۰ متر
• ارتفاع هاب: ۷۰ متر از سطح دریا
• وزن کل Nacelle + روتور: حدود ۱۳۰ تن
• ژنراتور: القایی دوسرعته با گیربکس سه‌مرحله‌ای
• سیستم Pitch کاملاً مستقل برای هر پره
• سیستم خنک‌کننده آب‌شیرین بسته (به جای هوا) برای جلوگیری از خوردگی
• پوشش ضدخوردگی ویژه برای محیط دریایی

در Horns Rev 2 از توربین‌های Siemens SWT-2.3-93 (قطر روتور ۹۳ متر، ارتفاع هاب ۶۸–۸۰ متر) و در Horns Rev 3 از توربین‌های MHI Vestas V164-8.8 MW (بعداً به ۹٫۵ مگاوات ارتقا یافت) استفاده شده که بزرگ‌ترین توربین‌های تجاری جهان در زمان نصب بودند (قطر روتور ۱۶۴ متر، وزن Nacelle حدود ۳۹۰ تن).

ساختار فونداسیون و پایه‌های توربین

تمام توربین‌های سه فاز بر پایه monopile نصب شده‌اند که در فاز اول قطر چهار متر و طول حدود سی و پنج متر داشت و با چکش هیدرولیکی تا عمق بیست و پنج متری در بستر دریا کوبیده می‌شد. این پایه‌ها از فولاد ویژه S355 با ضخامت دیواره تا هشتاد میلی‌متر ساخته شده و با سیستم grouting دقیقاً تراز می‌شوند. وزن هر monopile در فاز اول حدود دویست تن بود که در فاز سوم به بیش از هشتصد تن رسید.

بخش اتصال (transition piece) با پوشش اپوکسی چندلایه و سیستم حفاظت کاتدیک جریان القایی از خوردگی در ناحیه splash zone محافظت می‌کند. طراحی این پایه‌ها به گونه‌ای است که بارهای جانبی ناشی از امواج هفت متری و بادهای پنجاه متری بر ثانیه را به راحتی تحمل می‌کند و تاکنون پس از بیش از بیست سال هیچ پایه‌ای در Horns Rev 1 نیاز به تعویض نداشته است.

• قطر پایه: ۴ متر
• ضخامت دیواره فولاد: ۵۰–۸۰ میلی‌متر
• عمق نفوذ در بستر دریا: ۲۲–۲۸ متر
• وزن هر monopile: حدود ۱۸۰–۲۲۰ تن
• Transition piece با سیستم grouting برای تراز کردن دقیق

برای Horns Rev 2 و ۳ نیز همچنان monopile استفاده شد ولی قطر به ۵٫۵ تا ۷ متر و وزن به بیش از ۸۰۰ تن افزایش یافت. خاک منطقه عمدتاً ماسه‌ای متراکم با لایه‌های رسی است که مقاومت بسیار خوبی در برابر بارهای جانبی و چرخشی ایجاد می‌کند.

نحوه تولید و انتقال برق به شبکه

برق تولیدی نیروگاه بادی Horns Rev در هر توربین با ولتاژ ۳۳ کیلوولت از طریق کابل‌های داخلی به ایستگاه فراساحلی (offshore substation) منتقل می‌شود. در Horns Rev 1 یک ترانسفورماتور ۱۶۰ مگاولت‌آمپری ۳۳/۱۵۰ کیلوولت برق را به ولتاژ بالا تبدیل می‌کند. سپس از طریق دو کابل صادراتی ۱۵۰ کیلوولتی به طول حدود ۲۰ کیلومتر به ایستگاه ساحلی در نزدیکی Esbjerg منتقل می‌گردد. کابل‌ها در عمق ۱–۲ متری زیر بستر دریا دفن شده‌اند تا در برابر لنگر کشتی‌ها و تورهای ماهیگیری محافظت شوند.

ظرفیت اسمی و تولید سالانه برق نیروگاه بادی Horns Rev

فاز اول با ظرفیت صد و شصت مگاوات در بیست سال گذشته ضریب ظرفیت واقعی چهل و پنج تا چهل و هشت درصد داشته و سالانه حدود ششصد تا ششصد و پنجاه گیگاوات‌ساعت برق تولید کرده است. فاز دوم با دویست و نه مگاوات به ضریب ظرفیت نزدیک به پنجاه و دو درصد رسیده و فاز سوم با چهارصد و هفت مگاوات ضریب ظرفیت بالای پنجاه و سه درصد را ثبت کرده که یکی از بالاترین اعداد جهان است.

در سال ۲۰۲۳ مجموع سه فاز بیش از سه هزار و سیصد گیگاوات‌ساعت برق پاک تولید کردند که معادل مصرف سالانه بیش از نهصد و پنجاه هزار خانوار دانمارکی است و نقش مهمی در هدف دانمارک برای تأمین صد درصد برق از منابع تجدیدپذیر تا سال ۲۰۳۰ ایفا می‌کند.

چالش‌های مهندسی در محیط دریایی

• دسترسی محدود (فقط ۱۸۰-۲۰۰ روز در سال شرایط آب‌وهوایی مناسب برای کار در دریا وجود دارد)
• امواج تا ارتفاع ۷ متر و جریان‌های قوی
• خوردگی شدید ناشی از اسپری نمک و رطوبت بالا
• بارهای دینامیکی بسیار پیچیده ناشی از باد، موج و جریان همزمان
• نیاز به دقت میلی‌متری در نصب پایه‌ها

مهم‌ترین محدودیت نیروگاه بادی Horns Rev، تعداد روزهای مناسب برای کار در دریا بود که در دریای شمال تنها حدود صد و هشتاد تا دویست روز در سال است. امواج تا ارتفاع هفت متر، جریان‌های قوی و مه غلیظ عملیات نصب و نگهداری را بسیار دشوار می‌کرد. همچنین بارهای همزمان باد، موج و جریان باعث ایجاد تنش‌های پیچیده در سازه می‌شد که نیازمند مدل‌سازی دقیق بود.

خوردگی ناشی از اسپری نمک و رطوبت صد درصد هوا از دیگر چالش‌های بزرگ بود. طراحان مجبور شدند از پوشش‌های چندلایه اپوکسی، سیستم‌های حفاظت کاتدیک پیشرفته و کنترل رطوبت داخل برج استفاده کنند تا عمر سازه را به بیش از بیست و پنج سال برسانند.

مقاومت توربین‌ها در برابر باد و طوفان

توربین‌های V80 برای سرعت باد تا ۲۵ متر بر ثانیه طراحی شده‌اند و در سرعت ۳۴ متر بر ثانیه به‌طور خودکار خاموش می‌شوند. در طوفان Bodil (دسامبر ۲۰۱۳) که سرعت باد لحظه‌ای به بیش از ۵۲ متر بر ثانیه رسید، هیچ‌کدام از توربین‌های Horns Rev 1 آسیب جدی ندیدند. طراحی آیرودینامیکی پره‌ها، سیستم pitch هیدرولیکی سریع و ترمزهای دوگانه، ایمنی بسیار بالایی فراهم کرده‌اند.

مراحل نصب توربین‌ها در دریا

نصب Horns Rev 1 توسط شناور مخصوص Jack-up با نام «Sea Jack» و بعداً «Sea Power» انجام شد. مراحل به این ترتیب بود:

1. حفاری و کوبش monopile با چکش هیدرولیکی ۸۰۰ کیلوژولی
2. نصب transition piece و گراوتینگ
3. نصب برج (tower) در سه یا چهار بخش
4. نصب nacelle و هاب
5. نصب سه پره به‌صورت جداگانه یا به‌صورت کامل (bunny ears)
6. کشش کابل‌های داخلی ۳۳ کیلوولت

نصب فاز اول با شناور Jack-up به نام Sea Jack انجام شد که قادر بود در امواج تا دو و نیم متر کار کند. ابتدا monopile با چکش هیدرولیکی هشت صد کیلوژولی کوبیده می‌شد، سپس transition piece با گراوت مخصوص تراز می‌گردید. پس از آن برج در سه بخش، nacelle و در نهایت پره‌ها به صورت جداگانه یا به شکل bunny ears نصب می‌شدند.

کل عملیات نصب هشتاد توربین نیروگاه بادی Horns Rev در کمتر از هفت ماه به پایان رسید که در سال ۲۰۰۲ رکورد جهانی بود. در فاز سوم از شناورهای نسل جدید مانند Voltaire استفاده شد که قادرند توربین‌های نه مگاواتی را به صورت کامل و یک‌تکه نصب کنند و زمان نصب هر توربین را به کمتر از بیست و چهار ساعت کاهش داده‌اند.

استفاده از کابل‌های زیردریایی

کابل‌های داخلی سی و سه کیلوولت از نوع سه‌هسته‌ای XLPE با زره فولادی و روکش پلی‌اتیلن سنگین هستند که در برابر فشار آب و آسیب مکانیکی مقاوم‌اند. کابل‌های صادراتی صد و پنجاه کیلوولت نیز دارای فیبر نوری داخلی برای انتقال داده و مانیتورینگ دما هستند. همه کابل‌ها با دستگاه ROV و سیستم جتینگ در عمق حداقل یک و نیم متری بستر دفن شده‌اند.

این روش دفن باعث شده که تاکنون هیچ کابلی در نیروگاه بادی Horns Rev در اثر لنگر یا تور ماهیگیری آسیب ندیده باشد. طول کل کابل‌کشی داخلی در سه فاز بیش از چهارصد کیلومتر است که یکی از بزرگ‌ترین شبکه‌های کابلی فراساحلی جهان را تشکیل می‌دهد.

سیستم مانیتورینگ و کنترل از راه دور

تمام توربین‌ها از طریق SCADA به مرکز کنترل در Esbjerg متصل هستند. هر توربین بیش از ۵۰۰ سنسور دارد (دما، ارتعاش، زاویه pitch، سرعت باد و…). سیستم Condition Monitoring Siemens در Horns Rev 2 و ۳ امکان پیش‌بینی خرابی تا ۶۰ روز قبل را فراهم می‌کند. از سال ۲۰۱۸ از پهپادهای خودکار برای بازرسی پره‌ها استفاده می‌شود.

مشکلات خوردگی و راه‌حل‌های فنی
– استفاده از فولاد S355 با پوشش اپوکسی چندلایه (تا ۱۰۰۰ میکرون)
– سیستم حفاظت کاتدیک Impressed Current (ICCP) برای monopile و transition piece
– آندهای آلومینیومی قربانی در بخش splash zone
– رنگ‌آمیزی داخلی برج با سیستم dehumidifier برای کنترل رطوبت
– استفاده از فولاد ضدزنگ در قطعات حساس

در ناحیه splash zone که شدیدترین خوردگی رخ می‌دهد، از آندهای آلومینیومی قربانی و سیستم ICCP استفاده شده است. داخل برج‌ها دستگاه dehumidifier رطوبت را زیر چهل درصد نگه می‌دارد و تمام قطعات حساس از فولاد ضدزنگ یا آلیاژهای مقاوم ساخته شده‌اند. پوشش اپوکسی با ضخامت تا هزار میکرون روی monopile اعمال شده است.

پس از بیست و دو سال بهره‌برداری، هنوز هیچ monopile در Horns Rev 1 نیاز به تعویض یا تعمیر اساسی نداشته و ضخامت پوشش همچنان بالای هشتاد درصد مقدار اولیه است که نشان‌دهنده موفقیت کامل راه‌حل‌های ضدخوردگی دارد.

برنامه‌های دیگر دانمارک برای انرژی پاک

دانمارک قصد دارد تا سال ۲۰۳۰ صد درصد برق خود را از منابع تجدیدپذیر تأمین کند و در این راستا پروژه Thor با ظرفیت هزار مگاوات تا سال ۲۰۲۷ به بهره‌برداری می‌رسد. همچنین مزارع Vesterhav Nord و Syd با مجموع سیصد و پنجاه مگاوات در حال تکمیل هستند. برنامه بلندمدت تا سال ۲۰۳۳ شامل احداث چهار تا پنج گیگاوات جدید در دریای شمال و بالتیک است. مطالعات امکان تبدیل Horns Rev 1 به مزرعه هیبریدی با ذخیره‌سازی باتری و تولید هیدروژن سبز نیز در جریان است.