三脚（基礎）

三脚は、洋上風力タービン用の基礎の一種です。三脚は、一般的に他のタイプの基礎よりも高価です。ただし、大型タービンや水深が深い場合は、耐久性も考慮すると、コスト面での不利を補うことができます。

洋上風力エネルギーの探究は、1990年代に水深約10～20mで1～3MWの風力タービン用のモノパイル基礎が導入されたことから始まりました。 ^[1] ドイツは、最大水深40mに直面していたときに、この新しい再生可能エネルギーの分野に参入しました。同時に、5MWクラスのタービンが登場しました。この新しいタービン世代の代表格は、ローター直径116m、後に135mのMultibrid M5000で、ArevaおよびAdwenのブランドで販売されました。この機械の最初のプロトタイプは、2004年にブレーマーハーフェンの陸上に設置されました。この段階ですでに、ブレーマーハーフェンはBISブレーマーハーフェン投資支援および都市開発公社に代わって開発を支援していました。

新世紀以降、利用可能な地質工学的評価方法、製造プロセス、杭打ち装置、物流および設置装置を考慮して、今後の大型タービンとより深い水深のための実現可能な基礎が模索されてきました。その結果の 1 つが、Tripod 基礎です。最初の設計は、2005 年にドイツのレーアにある OWT – Offshore Wind Technology によって描かれました。Tripod は、この初期の段階からタワーと一体的に設計されていました。3 本脚の構造は、海底から通常海面上 20 メートルまで伸び、上部のボルト留めフランジを波頭から安全に離れた状態に保ちます。このセクションには、ボートの着岸、ケーブルのガイド、そして最後に腐食防止システムに関して必要なすべての機能を陸上で装備できます。中央の柱は、潮の満ち引き​​ごとに制限のない水交換を可能にするオープン システムとして設計されています。この状況は、内面の腐食防止システムを設計する必要がある場合に有利です。

三脚は、海底に中型のピン杭で固定されます。杭は、事前杭打ちまたは後杭打ちが可能です。吸引バケット基礎も設計されました。最初のタワーセクション (S3 と呼ばれます) は、ボルト締めフランジ接続で三脚の上部に沖合に取り付けられる予定です。このセクションには、外部サービス プラットフォームと入口ドアが含まれます。このセクションは、電気機器と冷間試運転手順のために独立してアクセスできます。さらに、三脚側に節約できる高さを提供します。三脚の高さは、水深 40 メートルですでに約 60 メートルに達します。

2006年、陸上のトライポッド実証機がOWTによってMultibrid GmbH向けに設計され、ドイツのブレーマーハーフェンにあるWeserWind GmbH Offshore Construction Georgsmarienhütteで製造および設置されました。これが、タービン開発・製造業者のMultibrid、基礎設計業者のOWT、および製造業者のWeserWindの長期にわたる協力関係の始まりでした。一方で、設計はオフショアタービン基礎の要求を十分に満たしていましたが、製造は構造のサイズと形状に関しても困難でした。当時、WeserWindは、製造と組み立てに関して、姉妹会社であるIAG Industrieanlagenbau Georgsmarienhütte GmbH（Georgsmarienhütteグループのメンバー）からサポートを受けていました。タービンの最初の運用は、研究プロジェクトIMO-Windによって行われました。^{[2]計算モデルとの比較を可能にするために、}応力曲線の決定、いわゆる「ホットスポット」調査を 含む状態監視の最初のステップが実行されました。

2008年、Alpha Ventusプロジェクトで6基のMultibrid M5000洋上風力タービンの基礎構造としてTripodsが建設されました。Alpha Ventusは、ドイツ海域での洋上風力エネルギーの探査のための最初のテストフィールドとして計画されました。プロジェクト組織は、Deutsche Offshore-Testfeld und Infrastruktur GmbH & Co. KG、DOTIです。2006年に、Stiftung Offshore Windenergieの支援を受けて、EWE AG（47.5%）、E.ON Climate & Renewables Central Europe GmbH、Vattenfall Europe Windkraft GmbH（各26.25%）によって設立されました。ドイツ連邦環境省BMUは、RAVEイニシアチブ（Alpha Ventusでの研究）にまとめられたいくつかの研究プロジェクトを支援しました。将来の洋上風力発電所の建設、試運転、運用のための幅広い経験と知識が得られました。Tripodsは、ノルウェーのVerdalにあるAker Kvaernerによって製造されました。三脚の水平組み立ては、大型の石油・ガスジャケット製造から得た造船所の現地製造経験に基づいて行われ、その後、ノルウェーからエームスハーフェンの沖合ターミナルまで、ひっくり返して当然直立状態で航行しました。三脚の現場への輸送は、ボスカリスの Taklift 4 によって1 台ずつ行われました。

2010 年は、Tripod 基盤を使用した M5000 タービンの展開における次のマイルストーンとなった年でした。Borkum West IIと Global Tech I の 2 つのプロジェクトは、このテクノロジー プラットフォームを使用してファームを建設することを決定しました。各プロジェクトでは、まずほぼ同時に 40 台の Tripod が注文されました。この需要を予測して、WeserWind は数年前から、ブレーマーハーフェンの Dr. Möller GmbH / IMS Nord ^[3]と共同で Tripod の量産アプローチを開発していました。このアプローチの主要なパラメーターは、直立組み立てコンセプト、最大 9 つの作業ステーションを備えた組み立てラインの設定、組み立てラインに沿った重量物鉄道運搬車による栽培構造物の輸送、カスタマイズされたポンツーンへの統合された荷降ろし操作です。このコンセプトに基づいて、Georgsmarienhütte は、ブレーマーハーフェンのルーネダイヒに 2 つの並行ラインを備えたこの組み立て工場を建設する投資プログラムを発表しました。建物は2011年の初めに稼働し、6月に最初のボルクム・ウェストIIトライポッドが完成しました。

2011年12月、ポンツーンが命名され、BLG Logistics Solutions GmbH & Co. KGによって、基本的なアップグレードの後、オフショアターミナルABC-Peninsulaが就航しました。最終的に、2011年から2013年にかけて、この場所で100台のトライポッドが製造されました。プラント全体のサイクルタイムは、構造物あたり5暦日にまで短縮されました。ロードアウトサイクルは4時間でした。また、SIAG Emdenと、フリシンゲンのEiffage Construction Métallique SASとのコンソーシアムIemants NVは、合計20台のトライポッドを直立状態で製造しました。オフショア輸送技術は、Alpha Ventus以来大幅に開発されました。HGO InfraSea Solutions GmbH & Co. KGのOffshore Construction Jack Up “Innovation”は2012年に就航し、帆ごとに3台のトライポッドと杭セットを運搬して、Global Tech 1での最初の仕事を行いました。 SHL Seaway Heavy Lifting社のクレーン船「Stanislaw Yudin」と「Oleg Strassnow」がBorkum West IIで運航されていました。

トリポッドの特徴は、露出面が小さいモノパイルソリューションのような水上構造、リスクシナリオでの堅牢なパフォーマンス、および支持効果と格子構造のパフォーマンスを備えたタワー部分への容易な移行の組み合わせです。スプラッシュゾーンの過酷な環境でホットスポットが回避される設計により、腐食疲労評価が自由に行えます。

風力エネルギーでは、タービンローターによる励起のため、主に振動する周波数で特徴付けられる構造のダイナミクスの調整が特に重要です。三脚の挙動は、より柔らかい傾向のあるモノパイルと、より硬いジャケットの中間です。

水深の観点から見た適用範囲は、当初は少なくとも水深25メートルから50メートルまでと予測されていました。^[4]モノパイル技術はここ数年で目覚ましく進歩し、その適用範囲は現在では40メートルまで広がっています。そのため、三脚は姿を消しました。三脚の製造には多大な労力がかかることに加え、構造物が大きくなるにつれて、輸送と設置の労力もさらに同等になる可能性があります。最後に、三脚が腐食防止システムに適しているかどうかは、モノパイルとの大きな違いであり続けるでしょう。構造物の耐用年数全体にわたる性能と、ライフサイクルの後の段階での資産のデューデリジェンス評価が、議論の調和の理由となるかもしれません。

ジャケットなどの他の格子構造と同様に、Tripod は海底に杭で固定されます。3 本の脚があるため、杭やグラウトを敷設していない状況でも十分な安定性が得られ、設置に信頼できる天候条件が得られます。杭の設計パラメータは、Tripod 自体とは独立して選択でき、地質工学上のニーズを明確に反映します。洗掘防止策を講じる必要はありません。

杭との接続は、通常、グラウト接続を使用して行われます。これは、杭と杭スリーブの間のジョイント ギャップに特殊なコンクリートを注入する技術です。結果として生じる複合効果により、荷重はスリーブから杭に伝達され、地中に伝わります。水中グラウト プロセスでは、プロセスの設計、計画、実行に高度な能力が必要です。水中の安定した適度な温度は、温度に敏感なグラウトの硬化プロセスをサポートします。

支持作用は、タワーの曲げモーメントが杭に伝わることに基づいており、杭は基本的に引っ張られるか押されるだけです。これには、てこ作用を高める上部脚と下部脚の組み合わせが必要です。あるいは、杭の代わりに吸引バケットを使用することもできます。これに対し、モノパイルは地面に横方向に安定させることで荷重を分散します。

管状ノードは、管が互いに交差する格子構造の特徴的な設計要素です。効率的な荷重支持効果を得るには、入ってくる管 (スタブ) の直径と連続する管 (弦) の直径の比率 (0.8) を維持することが望ましいです。この効果によって、最終的な寸法比率が決まります。

海洋基礎内のプレートの厚さは、局所的な負荷状況にうまく適応しています。海洋基礎の寸法は熱間圧延プレートの寸法に比べて大きいため、設計によってバランスの取れた材料利用を実現できます。三脚とモノパイルはシェル構造です。それらの壁の厚さは、直径に比べて比較的小さいです。したがって、シェルの座屈に関して証明する必要があります。タワー、中央チューブ、脚は、それぞれの長さが 2 ～ 4 m の円筒形または円錐形のセクション、缶で組み立てられます。壁の厚さは、中央の柱で 40 ～ 60 mm の範囲で、高応力領域のいくつかの缶では最大 90 mm です。円錐脚の壁の厚さは 20 ～ 30 mm です。

耐用年数は設計の中心的な要件です。従来の石油・ガス業界では、沖合の波浪荷重はすでに考慮されています。風力タービン発電機の運転では、さらに高い動的運転荷重が発生します。これは、2 枚羽根の 3MW 陸上タービンであった Growian プロジェクトで印象的に観察されましたが、この理由により 1983 年に故障しました。

評価には主にFEM法が使用されます。これらのより広範なツールによってのみ、応力曲線を詳細に反映し、設計に必要な精度を提供できます。スクリプトモデリングと計算速度の向上により計算時間が大幅に短縮され、反復速度が向上し、最適化結果が向上しました。 ^[5]

オフショア風力タービンのためのトリポッド財団は、ドイツ海域におけるオフショア風力エネルギーの産業利用の始まりに多大な貢献をしています。ドイツのオフショア風力パイオニアたちの創造的なアイデアから生まれたこの財団は、ビジョンの実現を目指す大規模な多分野にわたるチームにさらなるパートナーを獲得することで、その可能性を広げました。トリポッドの上に設置された 126 基のタービンが現在稼働しているという事実は、多くの関係者の長期にわたる信頼できる協力の結果です。

2014 年には、8MW でローター直径が 160m を超える次世代タービンの基礎コンセプトの実現可能性を評価するための机上調査が実施されました。さらに高い負荷を支えても重量増加が限られることを実証し、以前に実施されたプロジェクトの既存の製造および設置プロセスをすべて承認することが不可欠でした。

今日、トライポッドの 10 年間に蓄積されたオフショア エンジニアリングに関する知識は、モノパイル、ジャケット、あるいはトライポッドの概念を使用して新しいプロジェクトに投入される一種の無形資産であり、エネルギー コストを削減するための最新の技術を探求しています。

ウィキメディア・コモンズには、洋上風力タービン用三脚に関連するメディアがあります。