Denne testmetoden gir oss mer vindkraft til havs

Europa sitter i førersetet når det gjelder havvind, med Storbritannia og Tyskland bak rattet. Norske Equinor ligger på hjul like bak, med eierskap i havvindprosjekter i begge disse landene, samt i USA.

Ute på sjøen er vinden sterkere og mer konsistent, og det anslås derfor at det flytende havvindmarkedet kommer til å vokse betydelig i løpet av det neste tiåret. I følge Equinor er nesten 80 prosent av verdens potensiale innen havvind så langt fra land at det kun er flytende vindturbiner som kan fange energien. Men å lage flytende vindturbiner som forsvarer seg økonomisk er fremdeles en utfordring. 

Mål: Å redusere prisen på havvind

Å få ned prisen på havvindturbiner er derfor en betingelse for at vindturbiner til havs skal bli en del av det grønne skiftet. Nå har forskere fra SINTEF og NTNU utviklet en unik testmetode som kan bidra til at prisen på disse vindturbinene kan bli atskillig lavere enn den er i dag, og bokstavelig talt gi vind i seilene til den norske havvindsatsingen. 

Her testes en flytende vindturbin under realistiske forhold – gjenskapt i laben. Foto: SINTEF VIS MER

– Vårt bidrag til å få prisen på havvindturbiner ned er å tilby testmetode som kan hjelpe produsentene å lage konstruksjoner som er sikrere og mer optimale enn hva som hittil har vært mulig, sier Thomas Sauder, seniorforsker i SINTEF.

Det unike med metoden som Trondheims-forskerne har kommet frem til, gjør det mulig å teste offshore vindturbiner i reell målestokk. Kombinert med vind-, strøm- og bølgebelastning.

Tester som om forsøket var på åpent hav

Metoden forskerne har utviklet kalles «Real-Time Hybrid Model testing». Det spesielle med den er at forsøket blir svært realistisk og naturtro. Fremgangsmåten med at en vindturbinsimulator jobber med å påføre alle krefter og momenter på modellen, samtidig som det fysiske forsøket pågå. Dette har ikke vært gjort før på dette fagfeltet.

Noe lignende har vært gjort innenfor andre fagfelter som jordskjelvforskning, bilindustri og romfartsforskning. Men innenfor det marineteknologiske forskningsfeltet er dette helt nytt, ifølge Sauder.

Utgangspunktet til forskningsprosjektet var at SINTEF var først ute i 2005 med modell testing av Hywind konseptet, som i sin tid ble brukt som underlag til Hywind Demo, verdens første fullskala prototype av en flytende vindturbin. Men så kom konkurrentene på banen og gjorde det bedre enn SINTEF:

– Bølgebassenget vårt på Tyholt er verdens største i sitt slag og ypperlig for å se hvordan bølgekreftene påvirker en vindturbinmodell, men vi har ikke mulighet til å simulere vind presist nok for anvendelser som flyttende vindturbiner. Vi opplevde at andre aktører var lengre framme på dette punktet. Da la vi hodene våre i bløt for å finne ut hva vi kunne gjøre for å bli konkurransedyktige igjen, sier Maxime Thys, seniorforsker i SINTEF Ocean.

Forskerne i Trondheim gikk grundig igjennom de andre aktørene sin forskning på dette feltet og fant ut at metodikken som konkurrentene brukte ikke stemte med virkelige, utendørsforhold.

– Det fungerer fint å skalere ned bølgekreftene i et bølgebasseng. Og i en vindtunnel kan man simulere vindkreftene presist. Men det er ikke mulig å simulere det komplekse lastbildet fra vindkreftene på en flytende vindturbin i et bølgebasseng ved å bruke vifter, forklarer Sauder.

Ingen vil betale for ny forskningsmetodikk

Å utvikle en helt ny forskningsmetodikk er det ytterst få kunder som ønsker å betale for, men med NTNU på laget stilte forskerne sterkt. Over en periode på nesten 10 år fikk fire PhD, en Post Doc, og ni masterstudenter prøve ut nye ideer. De la ned tid og lidenskap og turte å prøve ut ting som kunne mislykkes. Denne forskningen kombinert med SINTEFs lange erfaring innen modelltesting bar frukter.

– Vi bestemte oss for å beholde det vi hadde kontroll på, nemlig bølger og modell. Så fant vi ut at vi skulle kombinere selve eksperimentet med en numerisk modell av vindturbinen, sier Thys.

Når forskerne skulle lage en god numerisk modell, måtte de simulere vind og vindkrefter i fullskala. De slapp de heftigste vindkastene løs på den flytende turbinen, med fullt moment og i alle vindretninger. Etter en god stund med hardt arbeid med prøving og feiling, fant de fram til en god oppskrift.  

Bruker egenutviklet robot

– Å kombinere fysisk bølgeforsøk med numeriske modeller av vindlaster viser seg å være svært tett opp til virkeligheten. Koblingen mellom simulering og fysikk skjer i sanntid. Ved hjelp av en egenutviklet robot blir modellen påført krefter og trukket hit og dit, samtidig som en rekke instrumenter måler det som skjer, sier Sauder.

Han forteller at hvordan vindturbinen oppfører seg og styres handler både om kompleks aerodynamikk og hydrodynamikk, men også mye om software. Vindturbinen har en kontroller som fungerer som systemets hjerne, og automatisk stiller seg inn etter forholdene.

Milepæl for Equinor

Testmetoden har blitt et unikt kommersielt produkt som nå tilbys av SINTEF og som det er etterspørsel av.

I mars i år benyttet Equinor seg av denne presise testmetoden da de skulle teste sin nyutviklede vindturbinkontroller. Det var en milepæl. Det er kontrolleren som inneholder logikken som styrer hvordan vindturbinen oppfører seg. Noe av det viktigste forskerne skulle gjøre var å finne svakheter ved tidligere versjoner av kontroller, og se om de forbedringene Equinor hadde utviklet fungerte i praksis. Oppdraget var vellykket.

– Det er ikke ofte at forskning fører til et salgbart produkt, og vi er svært fornøyd med å ha testmetoden på vår forskningsmeny. Nå fortsetter vi med å tilpasse den til andre problemstillinger hvor teknologien kan brukes med hell, sier Maxime Thys i SINTEF og legger til:

– Eksempelvis kan den brukes til å simulere ankersystem i forbindelse med modelltesting av installasjoner på ekstra dypt vann. En annen mulighet er testing av «power management system (PMS) » i skip. Vi simulerer kreftene på propellakselen og ser hvordan dette påvirker det diesel-elektriske anlegget (PMS). Metoden åpner for mange bruksområder og blir en av støttespillerne i det nye Ocean Space Center.