GE, Daha Verimli Rüzgâr Santralleri İçin Betondan 3D Baskı Rüzgâr Türbini Kuleleri Üretiyor18 Mayıs 2022
Eğer New York Eyaleti’nin doğu ucundan geçerseniz, dalgalı tarlalarda ve uzak tepelerde görünen rüzgâr türbini kümelerini fark etmemeniz mümkün değil. Dünyanın diğer bölgelerinde olduğu gibi, bu rüzgâr santralleri de Amerika’nın yenilenebilir enerjiyi giderek daha fazla benimsediğini açıkça gösteriyor.
Rochester’ın hemen güneyindeki bir köy olan Bergen’deki ambarda GE Yenilenebilir Enerji mühendisleri ve ortakları yenilenebilir enerji endüstrisinin gelecekte daha da fazla rüzgâr almasına yardımcı olabilecek yenilikler üzerinde çalışıyorlar.
Deponun içinde yaklaşık 20 çalışan, yüksek teknolojili betondan rüzgâr türbini kulelerinin temellerini oluşturmak için dünyanın en büyük 3D yazıcılarından birini kullanıyor. Onların başarıları, rüzgâr endüstrisinin bugün karadaki rüzgâr türbinlerinin boyutunu ve gücünü sınırlayan darboğazları aşmasına yardımcı olabilir ve daha verimli rüzgâr santrali tasarlamalarına yol açabilir.
GE Yenilenebilir Enerji’de gelişen teknolojilerden sorumlu kıdemli mühendislik müdürü ve tesisin lideri Christopher Kenny, rüzgâr endüstrisinin son yıllarda muazzam bir şekilde geliştiğini söylüyor ancak karada kurulu rüzgâr türbinlerinin ne kadar güçlü olabileceğine dair fiziksel sınırlar bulunuyor. Christopher Kenny “Daha büyük jeneratörler daha uzun, daha güçlü ve daha büyük kuleler gerektiriyor” diyor. “
Bugün bir rüzgâr türbini kulesi yapmak için inşaatçılar, prefabrik çelik boruları düz yataklı kamyonların bulunduğu yere getiriyor ve bunları yerinde bir araya getiriyorlar. Ancak bir mobilya parçasını merdivenleri dar bir apartman dairesine taşımaya çalışan herkesin bileceği gibi ihlal edilemeyecek sınırlar bulunuyor. Türbin kuleleri için bu sınır yaklaşık 4.27 metre (14 fit) çapında. (Rüzgâr kanatları uzunluk konusunda benzer bir sorunla karşı karşıya kalıyor ancak GE, kanatları iki parçaya ayırmanın ve rüzgâr çiftliğinde monte etmenin dâhiyane bir bir yolunu buldu.)
Bu yol, eklemeli üretim olarak da bilinen 3D baskı. Kulenin tabanı, yerinde, betondan 3 boyutlu yazdırılarak, rüzgâr santrali inşa edenler kuleyi daha uzun ve daha güçlü bir türbini destekleyecek kadar daha geniş ve yeterince güçlü hale getirebilecekler. Ayrıca bu yöntem rüzgâr üretimi için de yeni konumların kilidini açabilir.
Kenny ve ekibinin Bergen’de test ettiği yazıcı, bir müzik festivalindeki konser sahnesine benzeyecek şekilde dik açılarla bağlanmış uzun kafes kirişlerinden oluşuyor. Kirişlere bağlı elektrik motorları, baskı enjektörünü üç yönde hareket ettiriyor ve 20 metre yüksekliğe kadar beton yapıların basılmasına izin veriyor.
Kenny, prefabrik bir çelik kulenin 20 metre yüksekliğindeki beton bir tabana tutturulmasıyla rüzgâr santrali tasarımcılarının 140 metreye (450 fit) ulaşan kulelerle türbinler inşa etmelerine yardımcı olabileceğini söylüyor. Daha uzun ve daha güçlü türbinler, bir rüzgâr türbininin verimliliğini tanımlayan önemli bir endüstri numarası olan rüzgâr santralinin yıllık enerji üretimini (AEP) artırmaya yardımcı olabilir. Bu sayı, türbinin yılda ürettiği gerçek enerji miktarını temsil eder ve türbin tasarımına, belirli bir konumdaki rüzgâr hızına ve rüzgârlı günlerin sayısına bağlıdır. Kenny, “Göbek yüksekliği AEP kazancı için kritik öneme sahip ve bugün tam olarak optimize edilmiyor” diyor ve ekliyor: “Rüzgâr tipik olarak yerden daha güçlü ve daha istikrarlıdır.”
Basılı beton tabanın yüksekliği değişebileceğinden, baskı yerel araziye göre optimize edilmiş türbin yüksekliklerine izin verebilir. Kenny, “Arazinin ve rüzgârın değiştiği çok büyük rüzgâr santralini düşündüğünüzde, saha düzenini en üst düzeye çıkarmak için türbinin yüksekliğini nasıl değiştirebileceğimiz konusunda sınırlıyız.” diyor.
İşbirliği, mobil baskı operasyonlarının sahada ihtiyaç duyacağı temel bileşenlerin belirlenmesine ve oluşturulmasına da yol açtı. Bunlar arasında büyük bir yazıcı, römork üzerinde hareketli bir beton santrali, tekerlekler üzerinde bir çimento depolama tankı, betonun içine giren ve kuleleri destekleyen dairesel inşaat demiri halkaları oluşturmak için bir tertibat bulunuyor. Kenny, “Süreci desteklemek için geliştirdiğimiz tüm araçlar ve ekipmanlar, sahadan sahaya seyahat edebilen özelleştirilmiş bölmelere sığacak ve şu anda prototipleri burada test ediyoruz.” diyor.
Buradaki ana yapı malzemesinin beton olmasına aldanmayın. Bu yüksek teknoloji ürünü bir iş. Örneğin; mobil beton santrali kum, taş ve çimentoyu tartan, bileşenlerdeki nem içeriğini ölçen ve karıştırma torkunu, reolojiyi (baskı karışımının akışını) ve her biri için diğer faktörleri izleyen sensörlerle donatılmıştır. Operatörler, römorkun ortasındaki bir cam kabinin içindeki bir bilgisayardan faktörleri izliyor ve ayarlıyor. Kenny, ”Bir kez karıştırıp betonu oluşturduğumuzda, onu basabilmek için çok zamanımız var.” diyor ve ekliyor: “Test, bilgisayar modelleme ve simülasyon çalışmalarının bir kombinasyonuna dayanarak beton üstündeki katmanları ve inşaat demiri ağırlığını işlemek için belirli bir oranda mukavemet geliştirmek üzere tasarlanmıştır. Bu, yapıyı hedeflenen zaman diliminde oluşturmamızı sağlıyor.”
Tüm sistem şu şekilde çalışacak şekilde tasarlandı: Parti tesisi, çimentoyu depolama tankından taş, kum ve suyla karıştırıyor ve betonu yazıcıya gönderiyor. Daha sonra yazıcı, özel bir tabaka aracılığıyla beton katmanlarını istenen şekilde presliyor. Her katman birkaç santim kalınlığındadır. Parti tesisinde olduğu gibi süreç, sensörler ve kameralar tarafından izleniyor.
Ekibin çözmesi gereken birçok mühendislik zorluğu bulunuyor. Örneğin, beton karışımının hızlı bir şekilde sertleşmesi gerekiyor, bu sayede üstündeki tabaka deforme olmuyor ancak beton çok hızlı sertleşirse yazıcıyı tıkayabilir ve ekipmanı tahrip edebilir.
GE, 2022’de baskı sürecini iç mekânda test edecek ve tam ölçekli bir dış mekân kule segmenti sergilemek amacıyla gelecek yıl dışarıda baskı yapmaya başlamayı planlıyor. Nihai hedef, uygun maliyetli yüksek kuleler sunma yeteneğini göstermek ve bunu yapmak için GE ekibi, 2 ila 3 megavat üretecek bir prototip türbin kurmak için uygun bir yer arıyor.
Bazı inşaatçılar evlerin 3D baskısını çoktan başlattı ancak bir rüzgâr türbini kulesinin 3D baskısını yapmak farklı büyüklükteki zorlukları çözmeyi gerektiriyor. Kenny, “Yüklerimiz ve yapısal gereksinimlerimiz, bugün gördüğünüz 3D baskılı bir evde olduğundan çok daha yüksek.” diyor ve ekliyor: “Katkı maddesinin bizim için açtığı fırsatlardan yararlanmayı öğreniyoruz.”