Svédország 150 méteres fa szélturbinája: Miért erősebb a Modvion rétegelt lucfenyő tornya súlyra vetítve, mint az acél?
A délnyugat-svédországi Skara mezőgazdasági síksága fölé magasodik egy modern, 2 megawattos szélturbina, amely távolról úgy néz ki, mint bármely más ipari méretű megújulóenergia-termelő berendezés – fehér üvegszálas lapátjaival, amelyek 150 méter (492 láb) magasságig nyúlnak az északi égbolton. Ha azonban odasétálunk a 105 méter magas (344 láb) tartótorony tövéhez, és belépünk a karbantartóajtón, nem hideg, hegesztett hengerelt szerkezeti acéllemezeket vagy előfeszített betongyűrűket találunk. Ehelyett magasba szökő, meleg, mézszínű katedrálisban állunk, amely skandináv lucfenyőből készült, és amelyet egyetlen szerkezeti fémcsavar nélkül tartanak össze.
A „Wind of Change” néven ismert, a göteborgi székhelyű tiszta technológiai innovátor, a Modvion által a svéd Varberg Energi energiaszolgáltató számára tervezett (a globális szélenergia-óriás Vestas és az Európai Unió Horizont 2020 programjának támogatásával) 150 méteres turbinája a bolygó legmagasabb fa szélturbina-szerkezete. A Modvion moduláris, rétegelt furnérfa (LVL) tornya – amely messze nem a 19. századi fa szélmalmok nosztalgikus visszatérését jelenti – megoldja a modern szélenergia-ipar egyik legsúlyosabb logisztikai, szerkezeti és környezeti szűk keresztmetszetét.
A „hídmagassági szűk keresztmetszet”: Miért ütköznek falba a hengeres acéltornyok 100 méter felett?
A szélenergetikában a magasság a legfontosabb. Mivel a fák, dombok és épületek által okozott felületi súrlódás lelassítja a szelet a talaj közelében, a szélturbina tengelymagasságának 80 méterről 150 vagy 200 méterre emelése drámaian erősebb, kevésbé turbulens szeleket tesz elérhetővé a magasabb rétegekben – ezzel ugyanazon generátor és lapátok használatával 25–40%-kal növelhető az éves villamosenergia-termelés. Azonban egy 100 tonnás hajtóműház és egy 150 méteres rotor megtámasztása a 150 méteres magasságban fellépő, hurrikánerejű felborító nyomatékokkal szemben olyan toronyalapot igényel, amelynek széles szerkezeti átmérője van, hogy ellenálljon a héj alakváltozásának és a hajlító feszültségnek (amelyet a keresztmetszeti modulus Z = π · D² · t / 4 szabályoz).
A hagyományos szélturbina-tornyokat úgy gyártják, hogy 40–80 milliméter vastag acéllemezeket óriási hengeres gyűrűszakaszokká hengerelnek, majd gyárban összehegesztik azokat. Itt rejlik a szárazföldi szélenergia végzetes logisztikai csapdája: Európában és Észak-Amerikában az autópálya-aluljárók, hidak, alagutak és körforgalmak szigorú, körülbelül 4,3–4,5 méteres (14–14,7 láb) maximális közúti szállítási átmérő-korlátozást írnak elő. Amint egy hengeres acéltorony alapjának átmérője meghaladja a 4,5 métert, az már nem fér el sík rakfelületű teherautón az autópálya-hidak alatt.
Korábban, ha a mérnökök 6–8 méter alapátmérőjű, magas szárazföldi tornyot akartak építeni, akkor vagy a helyszínen kellett több tucat ívelt acéllemezt csavarokkal összekapcsolniuk több ezer, nagy karbantartási igényű súrlódócsavar segítségével (amelyek a ciklikus szélrezgés hatására meglazulnak, és rendszeres nyomatékellenőrzést igényelnek), vagy hatalmas előregyártott betonszegmenseket kellett önteniük, amelyek óriási szén-dioxid-lábnyomot hagynak maguk után. A Modvion mindkét kompromisszumot elkerülte azzal, hogy a természet legrégebbi szálmegerősített kompozitjához, a fához fordult.
A rétegelt furnérfa (LVL) anyagtudománya: Hogyan múlja felül a lucfenyő a szerkezeti acélt?
Hogyan képes a skandináv lucfenyő (Picea abies) megtartani a több megawattos szélturbinát, amely 105 méter magasságban forog? Mikroszkopikus szinten a fa üreges cellulóz mikroszálakból álló köteg, amelyeket a lignin-hemicellulóz mátrix köt össze, és amelyek függőlegesen vannak elrendezve, hogy a fa koronáját a heves téli szélviharok ellen megtartsák. Míg a nyers fűrészáru természetes gyengeségekkel rendelkezik – például csomók, szálirány-eltérések és nedvességtől való deformálódás –, a rétegelt furnérfa (LVL) ipari homogenizálás révén teljesen kiküszöböli ezeket a hibákat.
A finn erdőipari piacvezetővel, a Metsä Wooddal (Kerto LVL) együttműködésben gyártott toronyanyagot úgy állítják elő, hogy a fenntarthatóan kitermelt lucfenyő rönköket mindössze 3 milliméter (0,12 hüvelyk) vastagságú vékony furnérlapokra hámozzák. Optikai lézeres szkennerek észlelik és több tucat független réteg között elosztják az esetleges természetes csomókat, majd a 3 mm-es furnérlapokat testreszabott ortotróp szálirányok szerint rakják egymásra – a szálak körülbelül 80%-a tengelyirányban (függőlegesen) van elrendezve a húzó- és nyomó hajlítóterhelések felvételére, 20%-uk pedig kerületirányban keresztrétegezve, hogy ellenálljon a torziós nyírófeszültségeknek és az ovális alakú kihajlásnak –, majd erős hő és hidraulikus nyomás hatására időjárásálló fenolgyantával vastag, ívelt panelekké ragasztják össze.
Amikor a szerkezetmérnökök olyan magas, önhordó konzolos tornyokhoz értékelnek anyagokat, ahol a saját súly az alapozási terhelés jelentős részét képezi, a döntő mutató nem az abszolút szilárdság köbcentiméterenként, hanem a fajlagos szilárdság (szilárdság-tömeg arány, σ / ρ):
55%-kal nagyobb fajlagos szilárdság, mint az acélnál: Az S355 szerkezeti acél folyáshatára körülbelül 355 MPa, de rendkívül nehéz, sűrűsége 7 850 kg/m³ (ami ~45 kN·m/kg fajlagos szilárdságot eredményez). A Modvion keresztirányban rétegezett fenyő LVL-jének szakító- és nyomószilárdsága ~35–50 MPa, sűrűsége viszont csupán 510 kg/m³ – így térfogategységre vetítve több mint 15-ször könnyebb, mint az acél! Fontonkénti összehasonlításban a rétegelt lucfenyő fajlagos szilárdsága jelentősen magasabb, mint a szerkezeti acélé, ami azt jelenti, hogy a Modvion 105 méteres fa tornya mindössze 210 metrikus tonnát nyom – körülbelül 30%-kal könnyebb, mint egy azonos teljesítményű, 300 tonnás acél torony.
Fémfáradás elleni ellenállás és természetes rezgéscsillapítás: Egy szélturbina tornya 25–30 éves élettartama alatt több mint 100 millió alkalommal hajlik előre-hátra. A hegesztett acéltornyoknál elkerülhetetlenül mikroszkopikus fáradási repedések keletkeznek a hőhatásnak kitett hegesztési zónák és csavarlyukak mentén, ami arra kényszeríti a mérnököket, hogy az acéllemez vastagságát kizárólag a fémfáradás elleni védelem érdekében, nem pedig a csúcs szélterhelésekre tekintettel túlméretezzék. A fa rostok kivételes ciklikus fáradási ellenállással és kiváló belső anyagcsillapítással rendelkeznek, ami csillapítja a torony rezonanciáját.
Csavarok nélkül – 100%-ban ragasztott, repülőgépipari stílusú illesztések: A Modvion 105 méteres Skara tornya 7 függőleges, kúpos hengeres szakaszból áll, amelyek 28 ívelt LVL-modulból készülnek (15 méteres gyűrűnként négy negyedkör alakú falelem). Az ívelt fa panelek úgy illeszkednek egymásra, mint a svéd laposcsomagolású bútorok, és szabványos autópálya-pótkocsikon szállíthatók anélkül, hogy útmódosításokra vagy rendőri kíséretre lenne szükség. A helyszínen a szegmenseket függőlegesen és kerületük mentén precíziósan megmunkált ujjcsatlakozásokkal, LVL-összekötő lemezekkel és szabályozott hőmérsékleten kikeményedő kétkomponensű szerkezeti epoxi/poliuretán ragasztókkal illesztik össze – így a feszültség egyenletesen oszlik el a teljes ragasztási felületen, anélkül, hogy egyetlen feszültségkoncentráló csavarlyuk is lenne. Csak a legalsó alapgyűrűnél és a legfelső, yaw-csapágyazó átmeneti karimánál vannak acél adaptergyűrűk a fába ragasztva, hogy illeszkedjenek a beton talapzathoz és a 2 megawattos Vestas V90 hajtóműházhoz.Tűzállóság, vízállóság és a szén-negatív életciklus számításai
A faépítő mérnökök előtt mindig két kérdés merül fel: mi történik villámcsapás vagy a hajtóműházban keletkező tűz esetén, és hogyan bírja ki egy fa torony a skandináv fagyos eső, jégeső és páratartalom által jellemzett 30 évet?
Az intuícióval ellentétben a szilárd laminált fa sokkal tűzállóbb, mint a védelem nélküli szerkezeti acél. Ha 700 °C-os elektromos tűznek van kitéve, a szerkezeti acél perceken belül elveszíti folyáshatárának 50%-át, és figyelmeztetés nélkül katasztrofálisan megroppan. Ezzel szemben a vastag rétegelt LVL falak (amelyek vastagsága az alapnál 200–300 milliméter – 8–12 hüvelyk) nem gyulladnak meg könnyen, mert sűrű, ragasztott keresztmetszetük megvonja a fától az oxigént; ha erős lángnak vannak kitéve, a külső felületen előre jelezhető sebességgel – csupán 0,7 milliméter/perc – önszigetelő szénréteg képződik, miközben a hideg belső fa mag 100%-ban megőrzi szerkezeti teherbírását. Ezen felül a Modvion-torony külső felületét vastag, többrétegű ipari poliuretán elasztomer bevonattal látták el, amely teljesen kizárja a csapadékot és az ultraibolya sugárzást, ugyanakkor páraáteresztő marad, így a fa 10–12%-os egyensúlyi nedvességtartalom mellett száraz marad, és az IEC 61400 I. osztályú villámvédelmi szabványoknak megfelelő, masszív réz villámhárító levezetők védik.
A széltornyok átalakítása szén-dioxid-kibocsátókká szén-dioxid-elnyelőkké
A Modvion mérnöki megoldásainak talán legjelentősebb hatása az éghajlati számításokra gyakorolt hatás. A hagyományos, 105 méter magas acél szélturbina-torony gyártásához szükséges vasérc szénnel fűtött nagyolvasztókban történő olvasztása során körülbelül 1 200 tonna CO2 kerül kibocsátásra – ez azt jelenti, hogy a szélturbina tornya a teljes turbinaciklus szénlábnyomának körülbelül 25–30%-át teszi ki.
A Modvion fa tornya az acélhoz képest 90%-kal csökkenti a gyártás során keletkező kibocsátást. Sőt, mivel a torony rétegezéséhez felhasznált körülbelül 300–1 000 skandináv lucfenyő a fenntarthatóan kezelt skandináv erdőkben (ahol évente több fát ültetnek, mint amennyit kivágnak) növekedésük során fotoszintézis útján szívták fel a légköri szén-dioxidot, a kész torony 200 metrikus tonna légköri CO2-t zár el véglegesen fa falai között. Ha a lekötött fa szén-dioxid-mennyiségéből levonjuk a gyártás során keletkező csekély szén-dioxid-kibocsátást, a torony már az első naptól kezdve nettó szén-dioxid-negatívvá válik. Mivel a Modvion jelenleg 6–10 megawatt teljesítményű, több mint 200 méter magas kereskedelmi fa tornyokat fejleszt, a svéd faipari mérnöki munka készen áll arra, hogy a globális szélenergia-ipart olyan magasságokba emelje, amelyeket az acél soha nem tudna elérni.
Forrás: engineere.com
Írta: Alex Ramirez
Érdekesek a téma FB bejegyzésénél a hozzászólások is.
