Renewal of water in monopiles for offshore wind

Abstract

Der er i dag stor fokus på miljøet, samt besparelse af konstruktions materialer, og derfor også fokus på besparelse i offshore sektoren. Dette projekt omhandler en metode for at reducere materiale forbruget ved konstruktionen af monopæls fundamenter for offshore brug. Materiale forbruget reduceres ved at sænke korrosionen af konstruktions materialerne. Reduktionen af korrosionen fungere ved at neutralisere pH-værdien af det indelukket vand inde i monopælene. Det indelukket vands pH-værdi sænkes ved at korrosionen frigiver hydrogen ioner til vandet. Den sænket pH-værdi resulter i en øget korrosion. Dette projekt undersøger muligheden for at udskifte det indelukket vand med hav vandet omkring, hvor pHværdien er 8. Udskiftningen forgår ved at et eller flere huller er boret i monopælen, hvor vandet kan strømme ind og ud gennem. Strømningen gennem hullerne bliver drevet af tryk forskelle mellem det indelukke vand og havvandet. Systemet er lavet passivt ved at strømningen kun drive af trykforskelle skabt af havforholdende . Der er i denne rapport undersøgt for tre forskellige havforhold; tidevand, bølger og strøm. Målet er at opnå en total udskiftning af det indelukket vand for at øge pH-værdien i hele monopælen. Udskiftningen af vandet er undersøgt gennem CFD modeller i både to og tre-dimensioner. Initialt er lavet en simplificering af modellerne for at undgå at simulere havet omkring monopælen. Denne simplificering viser at havet kan reduceres til at lille område udenfor hullet, og randbetingelserne kan bestemme ved hjælp af energi ligningen. Alle tre havforhold er først undersøgt for at bedømme om en fuld udskiftning er mulig. Denne undersøgelse er lavet i to-dimensionselle modeller. Simplificeringen fra tre-dimensioner til todimensioner resulter i store konsekvenser grundet geometrien af monopælen og hullerne. Der er derfor reduceret på tidevands og bølge perioden for at fastholde den samme procentmæssige udskiftning af det indelukket vand. Undersøgelsen af de tre havforhold, viser at ved en konstant strøm, opnås en meget lille udskiftning. I modsætning viser både bølger og tidevand at resultere i en mulighed for at udskiftet alt vandet. Reduktionen af perioden viser sig at have stor effekt på bølge simuleringerne, grundet den allerede korter periode for en bølge i modsætning til tidevandet. Grundet dette er der kun fortsat med tidevandet i to-dimensioner. En videre undersøgelse af tidevandet viser at udskiftning er meget påvirket af temperatur variationen mellem det indelukke vand og hav vandet. Grundet tidevandet lange periode er hastigheden umiddelbart for langsom til at undgå lagdeling grundet densitet og temperatur forskellene. De to-dimensionelle model viser derfor at en højere hastighed er nødvendig. For at øge hastigheden gennem hullerne er den tredimensionelle undersøgelse fokuseret på bølger. Før der er lavet analyser af de tre-dimensionelle modeller er strømningen undersøgt ved hjælp af eksperimentelle forsøg. Disse eksperimenter er sammenlignede med simulerings modeller. Det er er gjort for at validere k − e turbulens modellen brugt for simuleringerne. Tre-dimensions modellerne er kun udført for bølger, da den har vist at give mulighed for høj udskiftning ved høj strømningshastighed. De tre-dimensionelle modelle viser udskiftningen er mulig ved brug af flere huller placeret modsat af hinanden. Resultatet bliver derfor at en fuld udskiftning er mulig, og pH-værdien kan komme op og ligge næsten stabilt med det omkring liggende hav. Denne neutralisering af pH-værdien betyder at op imod 80 % af det nuværende anode materiale kan spares væk grundet den reduceret korrosion.

This thesis investigates a passive exchange system of the enclosed water inside a monopile, with the sea water . This increases the pH-value of the water inside and decrease the corrosion of the anodes. The exchange system is investigated through numerical CFD simulation of the flow inside the monopile, in both two- and threedimensional models. The exchange is through one or more holes drilled in the monopile. The models are simplified by a comparison between the simulation and the energy equation. The internal flow is validated through laboratory experiments, which are compared with simulated CFD models. It is found that hardly no exchange occurred from current, but a complete exchange might be possible from both tides and waves. The most promising results are from the wave conditions, as this introduce a higher velocity in the flow thought the holes. The results of this thesis suggest that a exchange system, such as this, could result in a reduction of up to 80 % of the anode material needed for the corrosion.

A master thesis from Aalborg University

Renewal of water in monopiles for offshore wind