Vita residua degli aerogeneratori: come si valuta e cosa si ottiene

Molti parchi eolici del Sud Italia sono entrati in esercizio nei primi anni Duemila e hanno raggiunto, o stanno raggiungendo, i vent'anni di vita di progetto. Il gestore deve allora scegliere se proseguire l'esercizio, sostituire alcuni componenti o rifare l'impianto. È una scelta che vale milioni di euro e che va presa sui numeri: quanta vita a fatica hanno consumato torre, fondazione e trasmissione, in che stato sono, quanta vita resta. In questo articolo spieghiamo con quali norme e con quale metodo Sineco Engineering arriva a quei numeri.

Perché si può andare oltre i vent'anni

Un aerogeneratore è progettato secondo la IEC 61400-1 per una classe di vento convenzionale e per una vita di progetto di norma di vent'anni. Il sito reale è quasi sempre meno severo della classe: velocità media più bassa, turbolenza minore, periodi di fermo per manutenzione o limitazioni di rete. Il danno a fatica dell'acciaio cresce con il cubo, o con una potenza più alta, dell'escursione di tensione, per cui piccole differenze nei carichi diventano grandi differenze nella vita consumata: una turbolenza inferiore del dieci per cento rispetto al progetto può ridurre di oltre un quarto il danno nei dettagli saldati della torre.

Questo margine va dimostrato, non presunto. Inoltre corrosione, usura e difetti di montaggio non dipendono dai carichi e si scoprono solo ispezionando la macchina.

Le norme di riferimento

In Italia non esiste una procedura nazionale dedicata al proseguimento dell'esercizio degli aerogeneratori. Il riferimento tecnico, riconosciuto da assicuratori, finanziatori e acquirenti, sono gli standard internazionali.

Per l'estensione della vita utile:

• IEC TS 61400-28 (2025): gestione degli impianti eolici lungo tutta la vita; fissa i requisiti minimi per le valutazioni dello stato e della vita residua che permettono di far lavorare i componenti strutturali e di sicurezza oltre la vita di progetto;
• DNV-ST-0262 (2016, aggiornata 2021): standard di certificazione per l'estensione della vita utile, con la procedura in parte analitica e parte pratica;
• UL 4143: equivalente statunitense per la certificazione dell'estensione della vita;
• principi BWE (2017) e direttiva DIBt (2012): la prassi tedesca, la più consolidata in Europa per il proseguimento dell'esercizio.

Per il calcolo e le misure:

• IEC 61400-1: requisiti di progetto e classi di vento, da usare nell'edizione con cui la macchina è stata progettata;
• IEC 61400-6 (2020): torre e fondazione;
• EN 1993-1-9: fatica dei dettagli in acciaio;
• IEC 61400-13: misura dei carichi meccanici;
• IEC 61400-4: moltiplicatori di giri; IEC 61400-2 per le macchine di piccola taglia.

Tutti gli standard di estensione della vita hanno la stessa struttura: una parte analitica e una parte pratica, i cui risultati devono essere coerenti. Il nostro metodo la segue.

Fase 1: i carichi reali del sito

Raccogliamo misure anemometriche, dati SCADA, ore di produzione, arresti ed eventi registrati, e ricostruiamo il vento a cui ogni macchina è stata esposta: velocità media e distribuzione, turbolenza, gradiente verticale, densità dell'aria e scia delle macchine vicine, che nei parchi fitti è spesso la prima causa di turbolenza.

Con un modello aeroelastico della turbina ricalcoliamo i carichi alle condizioni del sito e li confrontiamo con quelli di progetto, componente per componente, in termini di carichi equivalenti a fatica. L'analisi può essere semplificata, confrontando solo le condizioni di vento, oppure dettagliata, con nuove simulazioni; nei casi più delicati si adotta un approccio probabilistico che tratta le incertezze su vento, materiali e modelli. Per le macchine più vecchie il confronto va impostato sull'edizione della IEC 61400-1 o sulla direttiva DIBt usate in origine, che avevano modelli di turbolenza e coefficienti di sicurezza diversi da quelli attuali.

Fase 2: l'ispezione della macchina

Il calcolo non vede i difetti locali. Partiamo dai rapporti delle verifiche periodiche degli ultimi anni, che devono essere completi e senza difetti gravi aperti, e ispezioniamo i componenti della catena di carico e quelli di sicurezza:

• fondazione: ancoraggi, calcestruzzo, fessurazioni, interfaccia con il concio di base;
• torre: flange e bulloni con verifica del precarico, saldature attorno a porta e flange con controlli non distruttivi, protezione anticorrosiva;
• telaio di navicella, mozzo, attacchi delle pale e pale;
• cuscinetto principale, moltiplicatore e generatore, con analisi dell'olio e delle vibrazioni;
• sistemi di passo e di imbardata, freni;
• protezione contro i fulmini, sistemi di arresto, impianto elettrico.

Fase 3: le misure in esercizio

Dove serve maggiore certezza installiamo, secondo i criteri della IEC 61400-13, estensimetri alla base della torre e accelerometri in navicella. Le tensioni misurate tarano il modello di calcolo e, con il conteggio dei cicli rainflow, danno direttamente gli spettri di carico; il danno si calcola secondo la EN 1993-1-9. I sensori possono restare in sito come monitoraggio permanente, per aggiornare la vita residua anno per anno.

Cosa consegniamo

La relazione finale riporta:

• la vita residua stimata di ogni componente e il periodo di proseguimento dell'esercizio ammesso;
• gli interventi necessari prima e durante il proseguimento;
• il piano di ispezioni, di regola più frequente di quello ordinario.

Con questi dati il gestore confronta in modo concreto le tre strade: proseguire con le macchine esistenti, sostituire i componenti più sollecitati oppure procedere al repowering. La stessa relazione risponde alle richieste di assicuratori e finanziatori e a quelle degli acquirenti in caso di cessione del parco.

Dalla valutazione al progetto

Quello che impariamo su come invecchiano gli aerogeneratori entra nei nostri progetti di macchine nuove: abbiamo progettato trasmissione e telaio di navicella di un aerogeneratore da 100 kW con moltiplicatore epicicloidale a due stadi, con dettagli pensati per resistere meglio a fatica ed essere ispezionati facilmente. Approfondimenti: vita residua degli aerogeneratori, progettare un aerogeneratore da 100 kW, estensimetria.

Vita residua degli aerogeneratori in Puglia, nel Sud Italia e in tutta Italia

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