Utvikling av store vindturbiner

Utvikler virtuell vindmølle som skal få det beste ut av gigantiske vindturbiner i framtiden

Sintef-forskere koordinerer stort EU-prosjekt for å utvikle fremtidens vindkraft

22. juli ble nacellen til verdens største turbin, Haliade-X, rullet ut fra fabrikken i Saint-Nazaire i Frankrike. Denne kjempekolossen, som blant annet inneholder generator og girboks, skal fraktes til Rotterdam hvor den skal kobles på andre deler av turbinen for å testes – i første omgang på land.
22. juli ble nacellen til verdens største turbin, Haliade-X, rullet ut fra fabrikken i Saint-Nazaire i Frankrike. Denne kjempekolossen, som blant annet inneholder generator og girboks, skal fraktes til Rotterdam hvor den skal kobles på andre deler av turbinen for å testes – i første omgang på land. (Foto: GE Renewable Energy)

Sintef-forskere koordinerer stort EU-prosjekt for å utvikle fremtidens vindkraft

EU ønsker mer effektiv vindkraft. Dette er bakgrunnen for at Sintef Industri har fått en ledende rolle i et stort internasjonalt forskningsprosjekt på vindkraft. Tilsammen 11 partnere – alle med ulik kompetanse – får finansiert prosjektet «Upwards» med 40 millioner kroner fra EUs Horizon 2020-prosjekt.

  Foto: GE Renewable Energy

Forskningsarbeidet går over fire år og ble påbegynt i april 2018. Jon Samseth som til daglig er professor i energifysikk ved OsloMet, leder forskningsarbeidet. 10. og 11. september skal de 11 partnerne møtes for å oppsummere arbeidet så langt.

– Hensikten er å beregne mer nøyaktig hvordan kreftene fordeler seg på en turbin avhengig av størrelse og plassering. Det kan handle om materialvalg, akustikk, generering av støy eller det kan dreie seg om brukerpåvirkning, det vil si hvordan det oppleves å bo i nærheten av en slik park, sier Samseth.

Neste generasjon

Hovedmålet er vitenskapelige referanser for neste generasjon vindturbiner. Den vanlige størrelsen i dag er 5 eller 6 MW.

Vestas har utviklet sitt kjente V164-konsept til en turbin på 10 MW som første gang ble presentert under Global Wind Summit i september i fjor. Men ifølge Vestas vil ikke denne bli tatt i bruk kommersielt og installert før i 2021.

GE Renewable Energy lanserte for over et år siden konseptet for verdens største digitale turbin på hele 12 MW i samarbeid med datterselskapet LM Windpower, som produserer bladene. Haliade X-turbinen vil få en roterende diameter på cirka 220 meter og 107 meter lange blad, som lengden på en fotballbane. Den kan alene forsyne 16.000 europeiske husstander med ren strøm. Planen er at GE skal ha ferdig nacellen i høst og kunne levere de første turbinene i løpet av 2021.

– Vindkraft blir mer lønnsomt med større turbiner. Første gangen jeg ble intervjuet av TU for over ti år siden, uttalte jeg at vindkraft først blir veldig lønnsomt når man får turbiner over 20 MW. Da kan man regulere kraftsystemet også med vindkraft, sier Samseth.

Høy: Med en diameter på rotorbladene på 220 meter ruver Haliade-X godt i selskap med diverse turistattraksjoner. Foto: GE Renewable Energy

Prosjektet «Upwards» skal utvikle en virtuell referanseturbin på 15 MW før partnerskapet oppløses. All dokumentasjon skal gjøres tilgjengelig for industrien. I dag er den mest brukte referansen en amerikansk dokumentasjon på en 5 MW turbin.

Forskerne må med andre ord forte seg for ikke å bli tatt igjen av industrien.

Ifølge Samseth kan ikke kraftsystemet regulere vindkraft i dag fordi turbinene må kjøres kontinuerlig for at de skal være lønnsomme.

– Hvis vi i Nordsjøen bygger ut 10 GW vindkraft, kan det gi muligheter for regulering.

– Hva med lagring av vindkraft?

– Det koster for mye penger. Hydrogenproduksjon fra vindkraft er så dyrt at det aldri vil bli aktuelt, sier Samseth.

Rasert natur

Han mener det er realistisk at industrien kan ta i bruk 20 MW store turbiner om fire til fem år. Ikke på land, men i havet.

– Det er flere grunner til at de største turbinene vil komme i havet. Vindressursene er bedre og mer stabile på havet enn de er på fjellet. Noen av verdens beste vindressurser ligger faktisk i Nordsjøen, sier Samseth.

En annen viktig grunn er et økende krav om å unngå inngrep i naturen. Utbyggingen av vindkraft på Frøya var et eksempel på hvilket opprør man kan forvente om det blir mange store utbygginger på land.

«Upwards»

  • Det overordnede målet for «Upwards» er å benytte avanserte simuleringsmetoder til å øke forståelsen av viktige fysiske fenomener knyttet til fremtidens svært store vindturbiner og vindparker som er viktig for å optimere deres design.
  • Dette innebærer utvikling av modeller og software for simulering av vind, støy og strukturell respons og styrke.

– Det har etter min mening vært altfor lite fokus på konsekvensene av vindkraft på land, for eksempel på hva som skjer om 20-25 år når levetiden på parken går ut. Da er det ikke bare turbinene som må fjernes, men også alle veiene. Skal man fortsette med vindkraft, må det bygges nye og større turbiner som må plasseres på andre områder i terrenget for at de skal få optimale vindressurser. I så fall må det også bygges flere veier, og etter et par generasjoner vil hele området være fullstendig rasert, sier Samseth og viser til at denne problemstillingen er langt mer alvorlig for Norge enn Danmark, der de fleste turbinene står på flate jorder.

Les også

Mer karbonfiber

Forskningsleder Jens Kjær Jørgensen jobber med materialer og nanoteknologi i Sintef. Han koordinerer den delen av «Upwards» som handler om utvikling av modeller for å kunne simulere hvilke materialer som egner seg best for en turbin som skal fungere i 30 år.

Materialekspert: Danske Jens Kjær Jørgensen ved Sintef Industris avdeling for materialer og nanoteknologi sier at det brukes stadig mer kompositter av karbonfiber i vindturbiner. Foto: Tormod Haugstad

– I utviklingen av stadig større vindturbiner bruker ingeniører omfattende datasimuleringer av mange fysiske fenomener for å få et mest mulig optimalt design. Vårt mål er å gi dem bedre simuleringsverktøy. Det handler om strømninger rundt turbinen, bak turbinen og hvilken mekanisk respons som virker inn på levetid for materialer og struktur. Vi ønsker å utvikle programvare både for strømningsteknikk og struktur, slik at vi kan kombinere disse, sier Jørgensen til Teknisk Ukeblad.

I dag bruker de mest kjente produsentene av vindturbiner, som for eksempel Vestas, Siemens Gamesa og GE, kompositter av glassfiber og karbonfiber i turbinbladene. Karbon er lettere og stivere, men dyrere enn glass. Etterhvert som turbinbladene blitt lengre og slankere, har behovet for karbonfiber økt for å unngå at bladene bøyer for mye og for å holde vekten lavest mulig. Redusert egenvekt gir mindre slitasje på komponentene.

– I en park av vindturbiner blir vinden mellom turbinene påvirket av deres innbyrdes plassering og vindretning. Bak en turbin er vinden mer turbulent og har mindre energi. Plassering av turbiner påvirker utnyttelsen av energien i vinden og slitasjen på turbinene, sier Jørgensen.

Vindparkens design er derfor helt avgjørende for økonomien til en vindpark. 

Høyfrekvent støy

En viktig del av prosjektet er også å undersøke akustikken rundt større turbiner. Her har Von Karman Institute i Belgia en viktig rolle. Dette er et av verdens fremste spesialistmiljøer med blant annet over 50 ulike vindtunneler og turbomaskineri for å simulere strømninger og akustikk.

Dette er de 11 partnerne: 

  • Sintef Norge, Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics, Tyskland, Samtech, Belgia,
  • AWS Truepower, Spania, Wageningen University, Nederland, Siemens Gamesa Renewable Energy, Danmark, Aalborg University, Danmark og Siemens Industry Software, Belgia, Von Karman Institute, Belgia, Wavestone, Frankrike/USA og National University of the Littoral, Argentina.

– Myndighetene setter grenser for støynivå. Problemet med vindkraft er at den avgir en høyfrekvent lyd som kan være krevende for omgivelsene. Jo høyere hastighet det er på vingespissen, jo mer støy blir det. Lyden kan også være krevende selv om den ligger under støygrensen. Støynivået er ikke bare avhengig av vindstyrken, men også av vindforholdene og terrenget rundt. Det samme gjelder flickering eller flimring fordi bladene kaster skygger over terrenget.

– Har det vært forsket for lite på konsekvensene av vindkraft?

– Det er det vanskelig å svare entydig på, men det er en bransje i rask utvikling. Det er veldig mye som påvirkes av en økning i størrelsen på turbiner. Målet med vår forskning er å utvikle simuleringsverktøy som kan gi oss flere svar før vindparkene bygges.

Verdens største: Her sees turbinen med dekk for kontroll- og vedlikeholdsarbeid - sett ovenfra. Foto: GE Renewable Energy

 

Les også

Kommentarer (10)

Kommentarer (10)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå