مزرعه بادی London Array، که در سال ۲۰۱۳ میلادی به طور رسمی افتتاح شد، یکی از بزرگترین مزارع بادی فراساحلی (offshore) جهان در زمان بهرهبرداری اولیه خود بود. این پروژه در مساحتی حدود ۱۰۰ کیلومتر مربع در استواری تامز (Thames Estuary) قرار دارد و شامل ۱۷۵ توربین بادی است که ظرفیت اسمی مجموع ۶۳۰ مگاوات را فراهم میکنند. London Array قادر است برق پاک کافی برای تأمین نیاز حدود ۵۸۴,۰۰۰ خانوار بریتانیایی تولید کند و سالانه حدود ۹۰۰,۰۰۰ تن دیاکسید کربن را جابجا نماید. این مزرعه بادی توسط کنسرسیومی متشکل از شرکتهای RWE، Ørsted، Masdar و La Caisse de dépôt et placement du Québec اداره میشود و پایگاه عملیات و نگهداری آن در بندر رامسگیت (Ramsgate) واقع است.
London Array به عنوان نمادی از پیشرفت فناوری انرژی بادی فراساحلی شناخته میشود و هدف آن تأمین انرژی پاک با حداقل تأثیر بر شبکه برق ملی بریتانیا است. توربینها در ردیفها و ستونهایی منظم چیده شدهاند که با جهت غالب باد جنوبغربی همخوانی دارد و فاصله بین آنها بین ۶۵۰ تا ۱,۲۰۰ متر است. این پروژه نه تنها برق پاک تولید میکند، بلکه با استفاده از زیرساختهای پیشرفته، کارایی بالایی در انتقال انرژی به خشکی نشان میدهد.
مزرعه بادی London Array چیست؟
مزرعه بادی London Array یک پروژه انرژی تجدیدپذیر فراساحلی است که در فاز اول خود با ۱۷۵ توربین بادی Siemens SWT-3.6-120 ساخته شد و ظرفیت ۶۳۰ مگاوات دارد. مزرعه در منطقهای بین بانکهای شنی Long Sand و Kentish Knock قرار گرفته و از دو ایستگاه فراساحلی و یک ایستگاه onshore در Cleve Hill تشکیل شده است. ساخت آن از مارس ۲۰۱۱ آغاز شد و آخرین توربین در دسامبر ۲۰۱۲ نصب گردید. اولین برق در اکتبر ۲۰۱۲ تولید شد و بهرهبرداری کامل در آوریل ۲۰۱۳ محقق گردید.
این پروژه ابتدا برای ظرفیت ۱,۰۰۰ مگاوات در دو فاز برنامهریزی شده بود، اما فاز دوم به دلیل ملاحظات فنی اجرا نشد. London Array تا سال ۲۰۱۸ بزرگترین مزرعه بادی فراساحلی جهان بود و همچنان یکی از کارآمدترین پروژههای انرژی بادی بریتانیا به شمار میرود. برق تولیدشده از طریق کابلهای زیر دریایی به شبکه ملی تزریق میشود و نقش مهمی در کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی ایفا میکند.
موقعیت جغرافیایی London Array در دریای شمال
مزرعه بادی London Array حدود ۲۰ کیلومتر از ساحل شمالی کنت (Kent) و شرق اسکس (Essex) در استواری خارجی تامز (Outer Thames Estuary) واقع شده است. مختصات مرکزی آن حدود ۵۱.۶۳ درجه شمالی و ۱.۵۰ درجه شرقی است و عمق آب در منطقه بین ۶ تا ۲۵ متر متغیر است. این مکان به دلیل سرعت بالای باد، شرایط مناسب بستر دریا و نزدیکی به شبکه برق جنوب شرقی انگلیس انتخاب شد که بالاترین تقاضای برق کشور را دارد.
منطقه بین بانکهای شنی طبیعی Long Sand و Deep Knock قرار گرفته که به عنوان موانع طبیعی عمل میکنند و مسیرهای کشتیرانی عمده را دور میزنند. فاصله از ساحل امکان دسترسی مناسب از بندر رامسگیت را فراهم میکند و عملیات نگهداری را تسهیل مینماید. این موقعیت جغرافیایی نه تنها منابع بادی قوی ارائه میدهد، بلکه تلفات انتقال انرژی را کاهش میدهد.
ظرفیت اسمی تولید برق
ظرفیت اسمی مزرعه بادی London Array برابر با ۶۳۰ مگاوات است که از ۱۷۵ توربین هر کدام با توان ۳.۶ مگاوات تأمین میشود. این ظرفیت کافی است تا برق سالانه حدود ۲.۵ تراواتساعت تولید کند که نیاز بیش از نیم میلیون خانوار را برآورده مینماید. در سال ۲۰۱۵، تولید واقعی ۲.۵ تراواتساعت ثبت شد و در برخی ماهها ضریب ظرفیت بیش از ۷۸ درصد رسید.
عملکرد بالا به دلیل بادهای قوی منطقه و دسترسی بالای توربینها (بیش از ۹۸ درصد) است. این مزرعه سالانه حدود ۹۰۰,۰۰۰ تن CO2 را جابجا میکند و سهم قابل توجهی در اهداف انرژی تجدیدپذیر بریتانیا دارد.
مشخصات فنی توربینهای بادی استفادهشده
توربینهای بادی مورد استفاده در London Array مدل SWT-3.6-120 از شرکت Siemens Wind Power (اکنون Siemens Gamesa) هستند. توربینها سهپرهای با محور افقی و موقعیت upwind طراحی شدهاند و از فناوری pitch regulation با سرعت متغیر بهره میبرند. جعبهدنده سهمرحلهای planetary/helical و ژنراتور asynchronous دارند. توربینها برای محیط دریایی سخت طراحی شدهاند و عمر مفید بیش از ۲۰ سال دارند. سیستم کنترل از راه دور امکان نظارت بر لرزش و عملکرد را فراهم میکند و نگهداری را بهینه مینماید.
هر توربین London Array دارای قطر روتور ۱۲۰ متر با پرههای ۵۸.۵ متری است. ارتفاع هاب حدود ۸۷ متر از سطح متوسط دریا و ارتفاع نوک پره تا ۱۴۷ متر (بلندتر از چرخ و فلک London Eye) میرسد. توان اسمی هر توربین ۳.۶ مگاوات است و سرعت روتور بین ۵ تا ۱۳ دور در دقیقه متغیر است.
فناوری توربینهای فراساحلی (Offshore Wind)
مزرعه بادی London Array از ۱۷۵ توربین مدل Siemens SWT-3.6-120 بهره میبرد که هر کدام ظرفیتی معادل ۳٫۶ مگاوات دارند. این توربینها با روتورهایی به قطر ۱۲۰ متر و ارتفاع هاب ۸۷ متر از سطح دریا، در نوک پره به ارتفاع حدود ۱۴۷ متر میرسند که بلندتر از چرخ و فلک معروف London Eye است.
توربینها در ردیفها و ستونهایی منظم چیده شدهاند که فاصله بین آنها بین ۶۵۰ تا ۱٬۲۰۰ متر است و این چیدمان بر اساس جهت غالب باد جنوبغربی بهینهسازی شده تا اثرات بیدار (wake effects) را به حداقل برساند. هر توربین بر پایهای از نوع monopile نصب شده که لولههای فولادی بلند هستند و به بستر دریا کوبیده میشوند. برق تولیدشده در هر توربین ابتدا به ولتاژ ۳۳ کیلوولت تبدیل میشود و سپس از طریق کابلهای زیردریایی به ایستگاههای فراساحلی منتقل میگردد.
فناوری مورد استفاده در این توربینها، شامل سیستمهای کنترل از راه دور برای نظارت بر لرزش و عملکرد اجزا است و طراحی آنها برای کار مداوم بیش از ۲۰ سال در شرایط سخت دریایی بهینه شده است. استفاده از دو ایستگاه فراساحلی برای افزایش ولتاژ به ۱۵۰ کیلوولت پیش از انتقال به ساحل، کارایی انتقال انرژی را به طور قابل توجهی افزایش میدهد و تلفات را کاهش میدهد. این توربینها از نوع سهپرهای با فناوری مستقیمدرایو هستند که قابلیت اطمینان بالایی در محیطهای فراساحلی ارائه میدهند.
چالشهای مهندسی ساخت در محیط دریایی
ساخت مزرعه بادی London Array در محیط دریایی استواری تیمز با چالشهای مهندسی متعددی همراه بود. فاصله ۲۰ کیلومتری از ساحل، عمق آب تا ۲۵ متر، شرایط جوی متغیر و بادهای شدید، عملیات ساخت را پیچیده کرد.
یکی از اصلیترین چالشها، شرایط آب و هوایی نامساعد و دریای مواج بود که پنجرههای زمانی محدود برای عملیات نصب ایجاد میکرد. همچنین، بستر دریا با شنهای متحرک و عمقهای متغیر، نیاز به طراحی منحصربهفرد برای هر پایه داشت. نصب کابلها در آبهای کمعمق نیز نیازمند تجهیزات ویژه و اصلاحات سفارشی بر روی کشتیها بود. پروژه با استفاده از کشتیهای تخصصی مانند MPI Adventure و Rambiz برای نصب پایهها و توربینها، این چالشها را مدیریت کرد.
عملیات ساخت از مارس ۲۰۱۱ آغاز شد و شامل نصب ۱۷۷ پایه (۱۷۵ برای توربینها و ۲ برای ایستگاهها) بود که هر کدام به طور جداگانه طراحی شدند. زمستانهای سخت و بادهای قوی، برنامه را تحت تأثیر قرار داد، اما با هماهنگی دقیق دریایی و استفاده از فناوریهای پیشرفته، پروژه در دسامبر ۲۰۱۲ تکمیل شد.
زیرساختهای نصب پایهها در بستر دریا
پایههای مزرعه بادی London Array از نوع monopile هستند که لولههای فولادی غولپیکر با وزن تا ۶۵۰ تن و طول تا ۶۸ متر هستند. این پایهها توسط کنسرسیوم Aarsleff و Bilfinger Berger ساخته و نصب شدند.
هر monopile به طور جداگانه بر اساس عمق آب و شرایط بستر دریا طراحی شد و با استفاده از چکشهای هیدرولیکی به عمق تا ۴۰ متر در بستر کوبیده شد. فرآیند “soft start” برای کاهش تأثیر بر جانوران دریایی به کار گرفته شد. پس از نصب monopile، قطعه انتقالی (transition piece) بر روی آن قرار گرفت که با طراحی مخروطی ویژه، مشکل لغزش grout را حل کرد و توسط DNV تأیید شد.
نصب پایهها از مارس ۲۰۱۱ آغاز شد و با کشتیهای jack-up مانند Sea Worker انجام گرفت. در مجموع ۱۷۷ پایه نصب شد که دو تای آن برای ایستگاههای فراساحلی بود. این زیرساختها توربینها را در برابر امواج و بادهای شدید مقاوم میکنند و پایهای محکم برای عملیات طولانیمدت فراهم میآورند.
سیستمهای انتقال برق به خشکی
انتقال برق از مزرعه London Array به ساحل از طریق سیستم پیچیدهای انجام میشود. برق تولیدشده در توربینها با ولتاژ ۳۳ کیلوولت از طریق بیش از ۲۰۰ کیلومتر کابل array (۱۸۷ کابل) به دو ایستگاه فراساحلی منتقل میشود.
در این ایستگاهها، ولتاژ به ۱۵۰ کیلوولت افزایش مییابد تا تلفات کاهش یابد. سپس چهار کابل export سنگین (هر کدام بیش از ۴٬۵۰۰ تن و طول حدود ۵۰ کیلومتر) ساختهشده توسط Nexans، برق را به ایستگاه onshore در Cleve Hill منتقل میکنند. کابلها در بستر دریا دفن شدهاند و در نقاط تقاطع با حفاظت ویژه پوشیده شدهاند.
اتصال مزرعه بادی به شبکه ملی برق
مزرعه بادی London Array به شبکه ملی برق بریتانیا از طریق ایستگاه onshore در Cleve Hill متصل است. در این ایستگاه، ولتاژ از ۱۵۰ کیلوولت به ۴۰۰ کیلوولت افزایش مییابد و مستقیماً به خطوط انتقال National Grid تزریق میشود.
دو کابل زیرزمینی از بخش London Array به ایستگاه National Grid متصل میشوند و از طریق مدار شکنهای ۴۰۰ کیلوولت، انرژی وارد شبکه میگردد. این اتصال مستقیم به شبکه ۴۰۰ کیلوولت به دلیل حجم بالای تولید ضروری بود و امکان تأمین برق محلی در جنوب شرقی انگلستان را با کاهش تلفات انتقال فراهم میکند. داراییهای انتقال در سال ۲۰۱۳ به Blue Transmission واگذار شد که تحت رژیم OFTO عمل میکند.
عملکرد پروژه در شرایط طوفانی
توربینهای London Array برای شرایط سخت دریایی طراحی شدهاند و در سرعت باد بالای ۲۵ متر بر ثانیه (طوفان نیروی ۹) به طور خودکار خاموش میشوند تا ایمنی حفظ شود.
با این حال، در بادهای قوی زمستانی، عملکرد بالایی نشان میدهند؛ برای مثال، در زمستان ۲۰۱۳-۲۰۱۴، با بادهای شدید، ضریب ظرفیت بالایی ثبت شد و ۱٫۵ تراواتساعت انرژی تولید کرد. طراحی مقاوم توربینها و پایهها، مقاومت در برابر امواج و بادهای شدید را تضمین میکند و دسترسی برای نگهداری حتی در شرایط نامساعد با کشتیهای تخصصی حفظ میشود. این عملکرد در طوفانها، قابلیت اطمینان پروژه را اثبات کرده است.
هزینه سرمایهگذاری و مدل مالی پروژه
هزینه سرمایهگذاری برای فاز اول London Array حدود ۲٫۲ میلیارد یورو برآورد شد که شامل ساخت توربینها، پایهها، کابلها و ایستگاهها بود. مدل مالی بر پایه کنسرسیوم چندجانبه (ابتدا E.ON، DONG Energy و Masdar، سپس تغییرات مالکیتی) و حمایتهایی مانند وام از European Investment Bank و Danish Export Credit Fund بود. بخشی از داراییهای انتقال به ارزش ۴۵۹ میلیون پوند به Blue Transmission واگذار شد که هزینههای عملیاتی را کاهش داد.
مقایسه مزرعه بادی London Array با Hornsea و Walney
مزرعه بادی London Array با ظرفیت ۶۳۰ مگاوات و ۱۷۵ توربین ۳٫۶ مگاواتی، تا ۲۰۱۸ بزرگترین بود، اما اکنون با پروژههای بزرگتر مقایسه میشود.
Walney Extension (۶۵۹ مگاوات، ۸۷ توربین با ظرفیت ۷-۸٫۲۵ مگاوات) در ۲۰۱۸ آن را پشت سر گذاشت و با توربینهای بزرگتر، کارایی بیشتری دارد. هورنسی 1 (۱٫۲ گیگاوات) و Hornsea 2 (۱٫۳ گیگاوات) که توسط Ørsted ساخته شدند، چندین برابر بزرگتر هستند و از توربینهای غولپیکر بهره میبرند. London Array با فناوری قدیمیتر (توربینهای کوچکتر) اما عملکرد پایدار، پیشگامی در مقیاس بزرگ را نشان داد، در حالی که Hornsea و Walney با توربینهای پیشرفتهتر، هزینهها را کاهش دادهاند و ظرفیت را افزایش دادهاند.
