Progettare e costruire con successo una centrale idroelettrica, tenendo conto dei vincoli di spazio del sito e senza interrompere il traffico commerciale su una via d’acqua trafficata, ha presentato delle sfide per un’azienda del Midwest e gli ingegneri del progetto. È un esempio di come la collaborazione e l’innovazione si siano unite per assicurare il successo. Foto per gentile concessione: Stantec
I progetti idroelettrici di successo richiedono una quantità significativa di pianificazione, con una serie di sfide ingegneristiche relative alla progettazione, alla costruzione e all’installazione. I costruttori devono tenere conto delle caratteristiche naturali, come le faglie di spinta e le rocce di roccia erosa, delle preoccupazioni ambientali dovute al deflusso durante la costruzione e del potenziale di inondazione durante gli eventi di acqua alta.
Ora immaginate questo, moltiplicato per quattro. Questo è ciò che ha fatto l’American Municipal Power (AMP) quando ha deciso di aggiungere l’energia verde, in questo caso l’energia idroelettrica, al suo portafoglio per servire i membri in nove stati. AMP ha stipulato un contratto con MWH – ora parte di Stantec – per progettare e costruire quattro progetti di energia idroelettrica lungo il fiume Ohio, adiacenti alle chiuse e alle dighe dell’U.S. Army Corps of Engineers.
Catturare la potenza del fiume era fondamentale; il progetto avrebbe dovuto massimizzare il potenziale di energia verde a bassa testa in ogni sito. Il lavoro inoltre non poteva interrompere il traffico sul fiume, che è secondo solo al fiume Mississippi in termini di uso commerciale negli Stati Uniti.
Costruire l’impianto idroelettrico di Willow Island vicino a St. Marys, West Virginia, era particolarmente impegnativo, poiché il suo progetto sarebbe stato diverso dagli altri tre impianti a causa della sua posizione sul fiume. Avrebbe avuto un’impronta più piccola, con uno spazio limitato da una ferrovia adiacente. I rimorchi di costruzione e le grandi attrezzature dovevano essere collocati fuori dal sito.
La Ruhlin Company, con sede in Ohio, era l’appaltatore principale del progetto. Lo scavo e la costruzione del cofferdam sono iniziati nel giugno 2011. La costruzione della centrale elettrica è iniziata nel dicembre 2012. Quando Willow Island è entrata in pieno funzionamento commerciale nel febbraio 2016, è stato il culmine di un processo che ha coinvolto 485 lavoratori al suo apice, da diverse aziende con una vasta gamma di compiti. Oggi l’impianto da 44 MW fornisce energia rinnovabile pulita, e fornendo stabilità alla rete permette anche un ulteriore sviluppo di fonti rinnovabili intermittenti come l’eolico e il solare da costruire nella regione.
Un progetto a due turbine
Willow Island è stato costruito contemporaneamente ad altri tre impianti idroelettrici AMP sul fiume Ohio. Ma Willow Island ha una differenza importante: ha due turbine a bulbo (Figura 1) mentre gli altri impianti – Cannelton (88 MW) vicino a Hawesville, Kentucky; Meldahl (105 MW) vicino a Maysville, Kentucky; e Smithland (76 MW) vicino a Smithland, Kentucky – ognuno ha tre.
1. Il funzionamento interno. Questo schema dell’impianto di Willow Island mostra come l’acqua del fiume Ohio entra nell’impianto e si muove attraverso la turbina per generare elettricità. L’impianto è progettato per funzionare quasi autonomamente tutto l’anno, 24 ore al giorno. Il personale dell’impianto è previsto per le ispezioni quotidiane per la sicurezza e il funzionamento. Sono impiegati da 7 a 10 dipendenti a tempo pieno, con un minimo di due lavoratori sul posto per turno. Altro personale si trova in un sito di controllo centrale per monitorare l’impianto e altri impianti di generazione AMP. Per gentile concessione: American Municipal Power
Stephen Panozzo, project manager di Stantec per Willow Island, ha detto a POWER che è perché “Willow Island si trova a monte degli altri tre progetti, e quindi ha flussi di fiume un po’ più piccoli perché ha un bacino più piccolo. Man mano che ci si sposta più a valle, c’è ulteriore deflusso che contribuisce al flusso già nel fiume, quindi c’è più flusso disponibile più a valle si va.”
L’energia generata a Willow Island si muove attraverso una linea di trasmissione di 1,6 miglia che si collega con una linea di trasmissione esistente in West Virginia, secondo AMP.
Panozzo ha evidenziato “il desiderio di mantenere le turbine-generatori essenzialmente della stessa dimensione nei quattro progetti a causa delle economie attraverso la progettazione, la fabbricazione e, infine, il funzionamento e la manutenzione attraverso la condivisione dei pezzi di ricambio e simili”. Ha notato che AMP ha voluto “approfittare della gamma di flusso disponibile in ciascuno dei siti utilizzando le macchine desiderate, e attraverso uno studio di ingegneria è stato determinato che due era il numero ottimale di unità turbina-generatore a Willow Island.”
Le turbine e i generatori dell’impianto sono stati progettati e costruiti dalla Voith Hydro di York, Pennsylvania. Panozzo ha detto che le “turbine hanno una potenza massima garantita di 21,8 MW ad una prevalenza netta nominale di 16 piedi ad una velocità sincrona di 58,06 rpm,” e ha notato che la potenza garantita al punto di migliore efficienza è di 12,6 MW.
“Le due unità sono ad albero orizzontale, a canali di tipo Kaplan, nella configurazione ‘bulb’, e sono a doppia regolazione con pale di canali regolabili e wicket gates,” ha detto. “Ogni turbina ha tre pale di scorrimento e 16 paratoie, con un diametro di scorrimento di 7,7 metri, o circa 25 piedi. I generatori hanno una capacità nominale di 23,72 MVA ad una tensione nominale di 6,9 kV con fattore di potenza 0,90. Il rotore è del tipo a disco con 124 poli e avvolgimenti di campo montati sul cilindro. I sistemi di isolamento dello statore e degli avvolgimenti di campo sono materiali di classe F, ma operati a temperature di classe B per ottenere una maggiore durata. Il generatore è dotato di freni azionati pneumaticamente e di un sistema di raccolta della polvere dei freni per ridurre al minimo l’accumulo di polvere dei freni nel bulbo.”
Le sfide della costruzione
La costruzione a Willow Island ha avuto molte sfide oltre alla necessità di posizionare i rimorchi di costruzione e immagazzinare le attrezzature fuori sede. Panozzo ha notato che avere quattro progetti in corso contemporaneamente “ha messo a dura prova le competenze di produzione e costruzione”, anche se c’era un vantaggio, in quanto “ha permesso il trasferimento di conoscenze e competenze alla prossima generazione”. C’era anche il problema di competere per i lavoratori edili con altre industrie locali, comprese le operazioni di petrolio e gas.
Lo studio di ingegneria Mueser Rutledge Consulting Engineers (MRCE), con sede a New York, ha guidato un team che includeva Geocomp, una società di progettazione geostrutturale e servizi di monitoraggio del Massachusetts, nella progettazione del cofferdam, una struttura cellulare composta da 16 celle di 63 piedi di diametro e 67 piedi di altezza. Il cofferdam era un involucro a tenuta stagna che permetteva ai lavori di costruzione di svolgersi sotto la linea di galleggiamento. MRCE ha progettato ancoraggi di roccia ad alta capacità per stabilizzare la roccia profonda 60 piedi per la costruzione dell’impianto.
La costruzione del cofferdam – e la sua rimozione – era solo una delle sfide particolari della costruzione su un fiume. Panozzo ha detto: “Il livello del fiume a Willow Island Dam è in qualche modo imprevedibile, si alza e si abbassa con poco preavviso. Questo si è rivelato impegnativo dopo la rimozione del cofferdam, anche se la centrale elettrica è progettata per essere rovesciata durante le piene”. Durante la fase finale della costruzione, i portelli della centrale elettrica sono rimasti aperti per permettere l’accesso all’attrezzatura della turbina/generatore. Più volte è stato necessario per l’appaltatore smobilitare le sue attrezzature dalla centrale elettrica e installare le botole del tetto, a volte con un preavviso di un solo giorno.”
La contea di Pleasants, in cui si trova St. Marys, è nota per le sue rocce e massi di arenaria, così come il terreno ripido lungo la riva del fiume. Infatti, in una zona conosciuta come Raven Rock, prima che venissero costruite chiuse e dighe sul fiume, le barche da fiume spesso dovevano aspettare nella zona quando il livello dell’acqua era troppo basso per navigare. Le iscrizioni, apparentemente scritte dai viaggiatori del fiume in attesa che l’acqua salisse, punteggiano molte delle rocce lungo la riva.
“Durante lo scavo della roccia, una faglia di spinta è stata esposta lungo il lato del fiume dello scavo della centrale elettrica”, ha detto Panozzo, il che significava che dovevano essere installati bulloni di roccia, e richiedeva anche l’uso di calcestruzzo. Ha detto che originariamente è stato proposto che lo scavo della roccia per il fondamento della centrale elettrica, insieme alle parti del canale di avvicinamento e di scarico che si estendono nel bedrock, sarebbe stato fatto con perforazione convenzionale e brillamento. Ma dopo che la perforazione lungo il perimetro dello scavo è stata completata, è stata presa la decisione “di scavare meccanicamente la roccia usando dozer, escavatore con demolitore e seghe a ruota in luogo di perforazione e brillamento”. Inoltre, una smerigliatrice per asfalto è stata usata per scavare o rifinire le superfici rocciose verticali e orizzontali fino alla linea e al grado finale, dove i dozer non erano in grado di strappare le superfici rocciose entro le tolleranze richieste”. I grandi bulldozer alla fine hanno rimosso circa 410.000 metri cubi di roccia.
Benefici per la comunità
Panozzo ha detto che il progetto Willow Island fornisce energia a 79 comunità membri di AMP. La sua generazione di carico di base assicura la stabilità della rete, permettendo che altre fonti di energia rinnovabile come l’eolico e il solare siano costruite nella regione e collegate alla rete. Panozzo ha detto che l’impianto di energia pulita compensa circa 146.000 tonnellate di emissioni di anidride carbonica all’anno.
E ci sono benefici oltre a fornire elettricità. Il progetto è anche responsabile dell’aggiunta di una strada di accesso, moli di pesca, un rifugio per picnic, servizi igienici pubblici, passerelle di cemento e parcheggi come parte di un’area ricreativa di 14 acri. E dovrebbe fornire energia idroelettrica per gli anni a venire.
“Questo impianto è stato progettato con la prossima generazione in mente”, ha detto Panozzo a POWER. “Con la manutenzione ordinaria funzionerà per almeno 60-70 anni, con conseguente energia pulita e affidabile per i nostri nipoti”.
-Darrell Proctor è un redattore associato di POWER.