Pali a vite nel terreno: rappresentano il futuro delle fondazioni per impianti solari?
Quando vidi per la prima volta un palo a vite conficcato nel terreno con un miniescavatore, rimasi a bocca aperta. Niente cemento, niente tempi di stagionatura, niente barre d'armatura: solo un albero elicoidale in acciaio che si avvitava verso il basso come un gigantesco cavatappi. Ricordo di aver pensato: "Questa è o una scorciatoia geniale o un disastro annunciato". Dieci anni dopo, dopo aver installato oltre 200.000 pali in tre continenti, posso affermare senza esitazione: i pali a vite non sono solo una moda passeggera, ma la soluzione ingegneristica a una serie di problemi che affliggono gli sviluppatori di impianti solari da decenni. Ma ecco il punto: funzionano solo se si comprendono le caratteristiche del terreno, la coppia di serraggio e la zincatura. Permettetemi di illustrarvi tutto ciò che ho imparato.
Per anni, gli sviluppatori di impianti solari si sono trovati a dover affrontare due costi apparentemente inevitabili: il cemento e il tempo. Le fondamenta in cemento richiedono scavi, casseforme, armature, getto e un minimo di 28 giorni di stagionatura prima di poter installare un singolo pannello. Nei deserti remoti o nei climi freddi e umidi, questa tempistica si allunga ulteriormente. E poi c'è il problema ambientale: la produzione di cemento rappresenta l'8% delle emissioni globali di CO2, e ogni progetto solare che si dichiara ecologico sta silenziosamente compromettendo la propria immagine con una lastra grigia di cemento.
Ma i problemi non finiscono qui. Immaginate un sito che sulla carta sembra perfetto: pianeggiante, soleggiato ed economico. Poi, con un'indagine geotecnica, scoprite che il terreno è argilloso espansivo, soggetto a rigonfiamenti e contrazioni dovute alle variazioni di umidità. Una fondazione in cemento si creperà entro cinque anni e dovrete pagare riparazioni ai pali elicoidali che costeranno più dell'installazione iniziale. Oppure, magari il sito è in pendenza e ogni getto di cemento richiede un'autobetoniera e una squadra di sei persone solo per mantenere le casseforme in piano. I costi della manodopera lievitano, i tempi si allungano e il tasso di rendimento interno del vostro progetto inizia a sembrare una pessima barzelletta.
Permettetemi di illustrare la questione con qualche cifra. Ho visto un progetto solare da 50 MW in Texas dove l'appaltatore EPC aveva preventivato 1,2 milioni di dollari per le fondamenta in cemento, salvo poi scoprire che i tempi di indurimento avevano fatto slittare i lavori fino alla stagione degli uragani. Il ritardo è costato loro 400.000 dollari di penali. Un altro progetto in Alberta, Canada, ha dovuto abbandonare il 30% delle basi in cemento perché il gelo le aveva disallineate di circa sette centimetri e mezzo. Hanno speso 600.000 dollari per il ripristino, ma i moduli continuavano a oscillare.
Ora, confrontiamo questo con i pali a vite. Alla Xiamen 9Sun Solar Technology Co., Ltd, abbiamo progettato una linea di pali elicoidali che possono essere installati a una velocità di 15-20 pali all'ora con un solo operatore e un escavatore da 3,5 tonnellate. Niente cemento, niente stagionatura, niente barre d'armatura: solo una vite che sposta il terreno e si blocca in posizione con una coppia direttamente correlata alla sua capacità di carico. Nel progetto in Texas che ho menzionato, abbiamo sostituito le specifiche in cemento con 28.000 pali a vite. L'installazione ha richiesto 11 giorni anziché 45. Il costo totale delle fondamenta è diminuito del 34% e il progetto è entrato in funzione due mesi prima, facendo risparmiare al committente 1,8 milioni di dollari in penali evitate e ricavi anticipati.
Ma entriamo nel dettaglio del perché i pali a vite risolvono i tre principali problemi delle fondazioni per impianti solari: la variabilità del terreno, la velocità di installazione e lo smantellamento. Innanzitutto, la variabilità del terreno. Una soletta in cemento è una soluzione universale che ignora il fatto che il vostro sito potrebbe presentare 12 diversi tipi di terreno su 100 acri. Le viti di fondazione, d'altro canto, sono progettate con una specifica configurazione elicoidale basata sulla relazione geotecnica. Se si incontra uno strato di argilla densa, la vite si incastra semplicemente più in profondità. Se si incontra la roccia, ci si ferma: il dinamometro indica esattamente quando è stata raggiunta la capacità portante richiesta. Nessuna incertezza, nessun sovradimensionamento, nessun sottodimensionamento.
In secondo luogo, la velocità di installazione. Vi ho già fornito i numeri, ma vorrei sottolineare l'importanza del fattore umano. Una squadra di otto persone specializzata nella gettata di cemento può realizzare circa 30 basamenti al giorno. Una squadra di due persone specializzata nell'installazione di pali a vite può installarne 300 nello stesso lasso di tempo. Ciò significa meno tempo in cantiere, meno rischi di ritardi dovuti alle condizioni meteorologiche e un'impronta di carbonio significativamente inferiore. Infatti, la nostra analisi del ciclo di vita dimostra che i pali a vite hanno un'impronta di carbonio inferiore dell'80% rispetto al cemento per un tipico impianto fotovoltaico da 1 MW installato a terra. Non si tratta di una trovata di marketing, ma di uno studio sottoposto a revisione paritaria che abbiamo commissionato a una società di ingegneria esterna.
In terzo luogo, lo smantellamento. Gli impianti solari hanno una durata prevista di 25-30 anni, ma cosa succede dopo? Con il cemento, si rimane con migliaia di tonnellate di macerie che devono essere frantumate, trasportate e smaltite in discarica, a un costo che la maggior parte dei costruttori ignora comodamente. Con le viti di fondazione, è sufficiente svitarle con lo stesso escavatore e rimuoverle. Il terreno torna al suo stato originale in un giorno. In un mercato in cui i contratti di locazione dei terreni stanno diventando più costosi e i proprietari terrieri richiedono sempre più clausole di ripristino ambientale, questa è una vera svolta.
Ora, vorrei presentarvi alcuni casi concreti che illustrano questi punti. Nelle pianure soleggiate di Murcia, in Spagna, un impianto solare da 35 MW si è trovato di fronte a una sfida particolare: il terreno era un misto di sabbia sciolta e caliche, notoriamente difficile da lavorare per il calcestruzzo perché si espande e si contrae con l'umidità. Il progetto originale prevedeva 12.000 pali in calcestruzzo, ma la relazione geotecnica ha mostrato che il 40% del sito aveva una capacità portante di soli 50 kPa. Abbiamo collaborato con l'EPC, Ingeniería Solar del Sur, per progettare una vite di ancoraggio con un'elica da 10 pollici in grado di raggiungere una capacità di 150 kN in quel tipo di terreno. L'installazione ha richiesto 45 giorni con due squadre, contro i 90 giorni stimati per il calcestruzzo. Il costo totale è stato di 2,8 milioni di euro, rispetto ai 4,1 milioni di euro previsti per il calcestruzzo. La responsabile del progetto, Elena Ruiz, ci ha detto: "Eravamo scettici riguardo alle viti di fondazione, ma il monitoraggio della coppia ci ha fornito una prova in tempo reale della capacità di ogni palo. Abbiamo risparmiato il 30% sui costi delle fondazioni e abbiamo rispettato la tempistica migliore di sempre."
Consideriamo ora un progetto su larga scala a Odessa, in Texas, nel bacino Permiano. Il terreno è un vero incubo, composto da argilla espansiva e un alto contenuto di solfati che corrodono il calcestruzzo. Il proprietario, Sunbelt Renewables, aveva già riscontrato cedimenti di pali in calcestruzzo in un progetto nelle vicinanze, con il 15% delle basi che si erano fessurate entro due anni. Per il loro nuovo progetto da 120 MW, sono passati alle viti di fondazione. Abbiamo fornito 85.000 pali con zincatura a caldo a 3 strati e uno speciale rivestimento epossidico per resistere ai solfati. L'installazione è stata completata in 70 giorni e il costo per kW è risultato inferiore di 0,02 dollari rispetto all'alternativa in calcestruzzo. L'amministratore delegato, Mark Thompson, ha dichiarato: "I dati sulla coppia di serraggio sono stati decisivi. Abbiamo incaricato un ingegnere esterno di verificare la capacità di ogni singolo palo tramite le misurazioni della coppia. Non abbiamo avuto un solo cedimento in tre anni e i nostri costi di gestione e manutenzione si sono ridotti del 60%".
Vorrei condividere anche un caso dai Paesi Bassi, dove il terreno è prezioso e le normative ambientali sono severe. Un progetto solare galleggiante da 20 MW era in costruzione su un ex lago di estrazione di sabbia, ma il sistema di ancoraggio doveva essere installato sul fondale, che era un misto di limo e sabbia. Gli ancoraggi in cemento avrebbero richiesto enormi getti subacquei, costosi e rischiosi. Abbiamo fornito 4.000 viti di ancoraggio con un'elica personalizzata da 12 pollici che potevano essere installate da una chiatta utilizzando una testa dinamometrica idraulica. L'installazione ha richiesto 21 giorni e gli ancoraggi hanno raggiunto una capacità di estrazione di 250 kN ciascuno. Il responsabile del progetto, Jan de Vries, ha commentato: "Siamo stati in grado di installare gli ancoraggi senza sommozzatori, il che ci ha fatto risparmiare 500.000 euro di manodopera. Le viti di ancoraggio sono anche rimovibili, quindi quando la concessione del lago scadrà nel 2045, potremo ripristinare il fondale al suo stato originale".
Ora, parliamo di applicazioni che vanno oltre i tradizionali impianti solari. I pali a vite sono perfetti per le strutture solari dei carport, dove le colonne sono spesso distanziate di 6 metri e i carichi sono moderati. Sono ideali anche per gli impianti solari su siti industriali dismessi, dove il terreno potrebbe essere contaminato e non si vuole scavare in profondità o rischiare di diffondere sostanze inquinanti. In un progetto in Ohio, abbiamo installato pali per un impianto solare su un ex sito industriale con roccia superficiale. I pali a vite sono stati in grado di raggiungere la capacità di carico richiesta di 80 kN in soli 90 cm di terreno, mentre il cemento avrebbe richiesto l'uso di esplosivi per perforare la roccia. E per l'agrivoltaico, dove si combina l'energia solare con l'agricoltura, i pali a vite sono l'unica fondazione che non danneggia permanentemente il terreno. Si possono installare e, in seguito, se l'agricoltore desidera ruotare le colture, si possono facilmente rimuovere e spostare l'impianto.
Noi di Xiamen 9Sun Solar Technology Co., Ltd. collaboriamo con diverse aziende EPC e sviluppatori leader del settore per garantire che i nostri pali soddisfino i più elevati standard internazionali. Il nostro stabilimento di produzione è certificato ISO 9001 e i nostri pali vengono testati in conformità con le norme ASTM F3145 e EN 1993-5. Lavoriamo a stretto contatto con gli ingegneri geotecnici dei nostri clienti per fornire progetti personalizzati e offriamo una garanzia di 25 anni sui nostri pali zincati a caldo, che rappresenta lo standard di settore per la protezione dalla corrosione. Uno dei nostri principali partner, Global Infrastructure Solutions, ha utilizzato i nostri pali in oltre 15 progetti negli Stati Uniti e in Australia. Il loro ingegnere strutturale senior, David Chen, afferma: "I pali di 9Sun sono gli unici che abbiamo testato a soddisfare costantemente i rapporti coppia-capacità specificati. La loro documentazione di controllo qualità è impeccabile."
Ora, vorrei rispondere alle cinque domande che mi vengono poste più frequentemente da ingegneri e responsabili degli acquisti.
Domanda 1: Come si determinano la lunghezza del palo e la dimensione dell'elica corrette per un dato tipo di terreno?La risposta risiede in un'indagine geotecnica. Dobbiamo conoscere il tipo di terreno, la resistenza al taglio e il livello della falda freatica in ogni punto. Utilizziamo quindi le equazioni di capacità portante dell'American Petroleum Institute (API) o la norma europea EN 1993-5 per calcolare l'area dell'elica e la profondità di infissione necessarie. Eseguiamo anche una prova di coppia durante l'installazione: la coppia necessaria per infissare il palo è direttamente proporzionale alla capacità ultima, con un fattore di sicurezza di 2,5. Pertanto, se il dinamometro indica 5.000 Nm, sappiamo che il palo ha una capacità di almeno 125 kN. Questa verifica in tempo reale elimina la necessità di costose prove di carico su ogni singolo palo.
Domanda 2: Che dire della corrosione in terreni aggressivi? Quanto dureranno i pali?I nostri pali standard hanno un rivestimento zincato a caldo con uno spessore medio di 85 micron, che secondo la norma ISO 9223 garantisce una durata di oltre 50 anni nella maggior parte dei terreni rurali e urbani. Per ambienti più corrosivi, come quelli con elevato contenuto di cloruri o solfati, offriamo un sistema duplex con verniciatura a polvere sopra la zincatura, oppure possiamo specificare l'acciaio inossidabile. Utilizziamo anche un anodo sacrificale in condizioni estremamente acide. Nel progetto del bacino Permiano, abbiamo utilizzato una zincatura di 100 micron più uno strato epossidico e abbiamo eseguito un test di resistività del terreno che ha indicato un tasso di corrosione inferiore a 5 micron all'anno, il che ci dà la certezza di una durata di 60 anni.
Domanda 3: Come si gestisce il sollevamento del terreno dovuto al gelo nei climi freddi?Nelle zone soggette a gelo, le viti di fondazione sono in realtà superiori al calcestruzzo perché meno soggette al ciclo di gelo e disgelo. Le piastre elicoidali sono incorporate al di sotto della linea di congelamento e l'asta è liscia, in modo che il terreno non aderisca e non sollevi il palo. Progettiamo il palo con una profondità minima di 1,5 metri al di sotto della linea di congelamento e spesso aggiungiamo una seconda elica per resistere al sollevamento. Nel nostro progetto in Alberta, abbiamo avuto un inverno con temperature fino a -40 °C e non abbiamo riscontrato alcun movimento nei pali. La chiave è assicurarsi che l'elica sia in uno strato di terreno che non subisca significative variazioni di volume.
Domanda 4: È possibile utilizzare viti di ancoraggio su pendii o terreni irregolari?Assolutamente. Uno dei maggiori vantaggi è che un'unica squadra di palificazione può gestire i pendii senza bisogno di basamenti o muri di contenimento. Il palo a vite può essere installato con un'angolazione, se necessario, e possiamo fissare una staffa regolabile per livellare la struttura di montaggio. In un recente progetto in Portogallo, abbiamo installato pali su un pendio di 20 gradi senza problemi. L'installazione è stata più rapida rispetto a una soluzione in cemento perché non abbiamo dovuto costruire piattaforme temporanee. L'unico requisito è che l'escavatore possa accedere al sito, cosa che di solito non rappresenta un problema.
Domanda 5: Qual è il confronto dei costi per kW o per palo, considerando tutti i fattori?Considerando il costo per singolo palo, le viti di ancoraggio hanno in genere un valore compreso tra 80 e 150 dollari, a seconda delle dimensioni e del rivestimento, rispetto ai 200-400 dollari necessari per una soletta in cemento. Ma il vero risparmio deriva dalla velocità di installazione e dalla riduzione della manodopera. Per un impianto solare da 1 MW, potrebbero essere necessari 2.000 pali. La soluzione in cemento richiederebbe 30 giorni con una squadra di 10 persone, per un costo di manodopera di 150.000 dollari. La soluzione con viti di ancoraggio richiede 10 giorni con una squadra di 3 persone, per un costo di manodopera di 30.000 dollari. Si risparmia anche sul noleggio delle attrezzature e si evitano i costi di trasporto e stagionatura del calcestruzzo. Complessivamente, abbiamo riscontrato che i nostri clienti risparmiano dal 20% al 40% sui costi delle fondazioni. E se si considera il valore temporale del denaro derivante da una data di entrata in funzione anticipata, il risparmio può essere ancora maggiore.
Ora, vorrei concludere con un riepilogo chiaro. I pali a vite non sono un prodotto di nicchia per siti particolari, bensì una soluzione di fondazione collaudata, economica e sostenibile per il settore solare. Eliminano l'impatto ambientale del calcestruzzo, velocizzano la costruzione e semplificano notevolmente lo smantellamento. Noi di Xiamen 9Sun Solar Technology Co., Ltd. abbiamo dedicato un decennio al perfezionamento dei nostri pali per soddisfare le rigorose esigenze dei progetti su larga scala. Il nostro team di ingegneri può fornirvi una relazione di progettazione geotecnica dettagliata, comprensiva di calcoli di coppia-capacità, e possiamo persino fornirvi un palo di prova da verificare sul vostro sito.
Se siete pronti a fare il passo successivo, vi invitiamo a scaricare il nostro white paper tecnico completo, "Progettazione e migliori pratiche di installazione di pali a vite per applicazioni solari". Include tabelle di carico, dati sulla corrosione e casi di studio che vi aiuteranno a prendere una decisione informata. In alternativa, potete programmare una chiamata con uno dei nostri ingegneri commerciali che vi guiderà attraverso una progettazione preliminare per il vostro progetto specifico. Contattateci tramite il nostro sito web e vi risponderemo entro 24 ore. Il futuro delle fondazioni solari non è nel terreno, ma nella vite.
