Nieuwe generatie offshore windturbines drijft
Amanda Verdonk | woensdag 26 maart 2014
Offshore, Offshore Wind
Net als in de olie- en gasindustrie zal ook de offshore windindustrie steeds diepere wateren opzoeken. Dat heeft gevolgen voor het ontwerp van de turbines. Op verschillende plekken in de wereld wordt gewerkt aan uiteenlopende drijvende ontwerpen.
Tien Europese landen hebben de afgelopen jaren in totaal 1662 windturbines geïnstalleerd, goed voor 5000 MW aan energieproductie in 2012. Dat is een toename van 31 procent ten opzichte van het jaar ervoor. En met alle plannen voor grootschalige windparken die er nog in de pijplijn zitten, is te verwachten dat de Europese zeeën alleen maar voller zullen raken met windturbines. Overigens leek in de tweede helft van 2013 de bouw van offshore windturbines licht af te nemen, vanwege een behoudende houding bij overheden in verband met de economische crisis.
‘Onderhoud zorgt voor een kwart van de uiteindelijke energiekosten, voor grote reparaties kunnen kleine sleepboten de turbines naar een haven slepen’
In eerste instantie kijkt de industrie voor de nabije toekomst vooral naar ondiepe wateren, omdat installatie hier makkelijker (en dus goedkoper) is. Hier wordt vaak gebruik gemaakt van een fundering met een monopile, een mast die de bodem in wordt geheid, of een tripod die met drie heipalen wordt bevestigd. Ook zijn er gravity based structures: zware betonnen constructies die op de zeebodem rusten.
Vanaf 50 meter waterdiepte zijn drijvende varianten concurrerend met vaste structuren, aldus de European Wind Energy Association (EWEA). Drijvende windturbines worden niet alleen aantrekkelijk omdat ondiepe gebieden vol raken, maar ook omdat de windcondities in diepere zeeën beter kunnen zijn. Maar de belangrijkste reden is dat landen met een grote energiebehoefte, zoals Japan, Korea en de VS, steile rotskusten en diepe zeeën hebben. Zij zijn niet bevoorrecht met een ondiepe zee zoals de Nederlandse Noordzee. In Japan wordt bijvoorbeeld volop geëxperimenteerd met drijvende windturbines als alternatief voor kernenergie, dat de regering heeft afgezworen na de kernramp in Fukushima. Vlakbij de kernreactor bouwt een consortium, bestaande uit onder andere Mitsubishi en Hitachi, er een drijvende turbine van 2 MW, en ook de eerste drijvende energiecentrale.
Eerste experimenten
Het eerste experiment met drijvende windturbines stamt uit 2007. Het Nederlandse Blue H Technologies uit Oosterhout installeerde bij de Italiaanse kust een kleine windturbine met slechts twee rotorbladen, staande op een tension legged platform, met acht poten onderwater, die met kabels zijn verankerd aan de zeebodem.
Sinds 2009 test het Noorse olie- en gasbedrijf Statoil een conventionele turbine van 2,3 MW met drie rotorbladen. Dit model is geplaatst op een stalen cilinder, gevuld met ballast, en met drie kabels aan de zeebodem verankerd.
Het Noorse spar buoy-model, maar ook het tension legged platform, zijn afgekeken uit de offshore olie- en gaswinning, waar dit soort constructies volop zijn gebruikt. Beide partijen ontwikkelden de windturbines niet zelf; in het geval van Statoil leverde Siemens de windturbine.
Voorlopig zijn er van drijvende windturbines alleen nog prototypes te vinden, en is er een lang ontwikkeltraject te gaan voordat grootschalige windmolenparken op zee drijven. Huidige windturbines zijn niet ontworpen om grote bewegingen zoals op een drijvende constructie toe te staan, aldus Peter Eecen, R&D manager van de afdeling windenergie bij energieonderzoekcentrum ECN. “De drijvende constructie moet zo stabiel mogelijk zijn, zonder dat het te duur wordt. Hoe ver ga je daarin? Daarvoor is een ontwerpoptimalisatie nodig.” Een van de manieren om dat te bereiken is door slimme regeltechniek. De kracht van de rotor kan bewegingen dempen die zijn veroorzaakt door grillige windvlagen en deining. “Je kunt bewegingen van de drijvende constructie compenseren met de regeling van de turbine, dus puur door het spelen met de wind. Zo kun je de turbine anders laten reageren als er een vlaag of een beweging in de constructie is. Als de turbine bijvoorbeeld naar voren beweegt, kun je ervoor zorgen dat er iets meer kracht op de rotor komt zodat er een achterwaartse kracht ontstaat, of omgekeerd.”
Drijvende fundering
Regeltechniek die de kracht op de rotor aanpast naar gelang de beweging van het platform wordt toegepast bij de Tri-Floater, een drijvende fundering voor een windturbine. ECN heeft samen met GustoMSC uit Schiedam gewerkt aan het ontwerp, en heeft een controller voor de turbine ontwikkeld. De Tri-Floater bestaat voorlopig slechts op papier. Het moet een half-afzinkbaar platform worden met drie poten die met drie kabels wordt verankerd. Hij kan worden uitgerust met een conventionele windmolen.
Slimme regeltechniek alleen is niet genoeg om van een gewone windturbine een drijvende variant te maken. Ook een ander windturbineontwerp is nodig. Daarvoor zijn de fabrikanten zoals Siemens, REpower en Bard aan zet. De Tri-Floater kan tot wel 10 graden bewegen. Eecen: “Je kunt je afvragen of fabrikanten moeten vasthouden aan de norm om maar enkele graden beweging toe te staan. Met een integrale benadering hoeft dit geen probleem te zijn. Bovendien kan dat kosten besparen.”
Winnend concepten
Ook compleet andere ontwerpen zijn mogelijk, zoals met een verticale as. Voor de Noorse kust wordt bijvoorbeeld geëxperimenteerd met een turbine met gebogen rotoren, die als een draaideur bewegen. De generator bevindt zich onder de zeespiegel, en dient zo gelijk als ballast. “Het voordeel van een windturbine met verticale as is dat je de generator veel lager kunt plaatsen, of zelfs onderwater”, aldus Eecen. “Maar het is een risico om je elektrische systeem onder water te plaatsen. Bij een incident loopt de generator vol met corrosief, zout water. Ook wil je liever geen reparaties onderwater uitvoeren, dat is erg duur. Daar zal de industrie niet zo snel instappen. Ik verwacht eerder dat ontwerpen zoals de Tri-Floater, met een generator boven water en daarop een horizontale as-turbine, of eventueel een verticale as-turbine, winnende concepten gaan blijken.”
Om drijvende windturbines rendabel te laten opereren zijn lage onderhoudskosten cruciaal. Onderhoud is een grote kostenpost: dit neemt maar liefst een kwart van de totale elektriciteitskosten in beslag. Voor drijvende windturbines, die nog verder uit de kust liggen en met nog ongunstigere weersomstandigheden te maken hebben, is het daarom een hele uitdaging om het onderhoud te beperken.
Het voordeel van drijvende constructies is dat ze vrij gemakkelijk naar de kust te slepen zijn voor onderhoud. Eecen: “Voor het vervangen van een zekering ga je geen windturbine naar de haven slepen, dat blijf je op zee doen. Maar wel voor het vervangen van grote onderdelen, zoals de rotoren of de generator. Bijvoorbeeld als je een turbine na een jaar of tien wilt reviseren. Je hebt dan geen groot schip met een kraan nodig om op zee de rotoren en de nacelle eraf te halen. Je kunt de gehele turbine met een klein schip naar een haven slepen om daar het onderhoud te doen met kranen op de kade. Een probleem is daarbij dat je dan de elektriciteitskabel moet loshalen. Daar moeten nog innovatieve oplossingen voor komen. Er zitten dus nog voldoende uitdagingen aan.”
Exportproduct
Eecen verwacht dat drijvende windturbines op termijn net zo kosteneffectief kunnen worden als vaste offshore windturbines. Vanwege de ondiepe Nederlandse Noordzee zullen ze niet in Nederlandse wateren verrijzen. De Nederlandse offshore sector, vooral platformbouwers zoals GustoMSC, kan dit wel als exportproduct in de markt zetten. “We hebben in Nederland een grote maritieme sector die heel actief is in offshore windparken. Landen rondom Nederland zoals Denemarken, Engeland en Duitsland willen deze activiteiten ook naar zich toe trekken. Daarom steunen wij de Nederlandse industrie van harte om innovatief te blijven.”
