Download het artikel in 
Het is één van de initiatieven uit Generaties, het industriële innovatieplatform voor hernieuwbare energietechnologieën in Vlaanderen. In het OWI-Lab initiatief slaan industriële spelers uit de offshore windenergie sector en kennisinstellingen de handen in elkaar om de pionierspositie van Vlaanderen inzake offshore windenergie te bestendigen...
Hoewel ons land enkele wereldspelers in de windenergiesector telt, missen ze bepaalde specifieke testinfrastructuur en offshore datasets om hun innovatieproces te versnellen. De benodigde investeringen in deze test - en meetapparatuur zijn immers groot, terwijl het belang ervan vaak collectief is. Daarom besloten ze de handen in elkaar te slaan. Het initiatief kreeg de steun van de Vlaamse overheid, waardoor meteen ook de brug naar de kennisinstellingen kon worden geslagen. Uiteindelijk resulteerde de krachtenbundeling in de opstart van het ‘Offshore Wind Infrastructure Application Lab’, waartoe CG Power Systems Belgium, ZF Windpower Antwerp (het vroegere Hansen Transmission), GeoSea (onderdeel van Deme Groep), het studiebureau 3E, Sirris en de Vrije Universiteit Brussel behoren.
Veel potentieel...
Het ‘OWI-Lab’ richt zich op de ‘offshore’ windenergiemarkt: een sector waarin België een pioniersrol speelt. Met haar twee windparken op de noordzee, een derde op komst en nog drie andere die vanaf 2015 zullen worden gebouwd, is ons land immers de derde grootste offshore windproducent ter wereld.
Pieter Jan Jordaens, Projectleider Sustainability van Sirris: “Het is een sector met enorm veel potentieel. Want er is plaats op zee, wat toelaat om erg grote turbines te installeren en schaalgrootte te creëren. Bovendien staat er op zee bijna het hele jaar door wind van goede kwaliteit. Alleen zijn er nog enkele barrières die een mondiale doorbraak in de weg staan. Vooral het prijskaartje van offshore windenergie is een grote uitdaging. En dit kan alleen worden teruggedrongen door een hogere betrouwbaarheid, slimme onderhoudsconcepten en schaalvergroting door grotere, betrouwbare en efficiëntere turbines met meer productiecapaciteit te bouwen. Het is precies op deze vlakken dat het OWI-Lab gaat werken.”
Op zoek naar grotere betrouwbaarheid
Betrouwbare systemen zijn bij offshore windmolens meer dan bij welke hernieuwbare energietechnologie ook een prioriteit. Stefan Milis, Coördinator Sustainability van Sirris: “Het vervangen van het kleinste componentje loopt al gauw in de duizenden euro’s, zelfs als het onderdeel op zich maar vijf euro kost. Want je moet een boot huren om naar de windmolen te varen en je moet wachten tot de condities gunstig en veilig zijn vooraleer je bij de turbine kunt geraken. Te veel wind of golven maken dit immers onmogelijk. Hierdoor kan het soms dagen duren vooraleer het component vervangen geraakt. En dat de windmolen al die tijd niet functioneert, terwijl het precies het ideale weer is om veel energie te produceren!”
Om een optimale betrouwbaarheid te verkrijgen, speelt het onderhoud een cruciale rol. Maar precies omwille van de moeilijke bereikbaarheid (en de kosten gerelateerd aan een bezoek aan de windmolen) is het zaak om nieuwe, slimme maintenance concepten toe te passen. Het OWI-Lab wil op deze uitdagingen inspelen via investering in innovatieve meet/testconcepten en hiermee de innovatie te ondersteunen.
Floating LIDAR
In eerste instantie voorziet het project in de aankoop van twee LIDAR-systemen (‘Light Detection and Ranging Systems’). Deze toestellen zenden laserstralen uit om nauwkeurige windmetingen uit te voeren. De reflecties van deze stralen op minuscule deeltjes in de lucht worden teruggekaatst en door het LIDAR-systeem gemeten.
Op die manier kunnen richting en snelheid van de wind op een contactloze manier, in 3D en tot op een hoogte van 200 meter worden gemeten. De OWI-Lab projectpartners 3E en GeoSea hebben al een dergelijke systeem getest en op een vast weerplatform in de Noordzee gebruikt. Verder ontwikkelden ze gezamenlijk een zogenaamde FLIDAR: ‘Floating LIDAR’.
Hierbij wordt een LIDAR op een drijvende boei geïnstalleerd. Ze slaagden erin een innovatief stabilisatiesysteem te ontwikkelen dat de bewegingen van de boei door de golven compenseert. De eerste resultaten zijn veelbelovend: de metingen van de FLIDAR komen overeen met de metingen op het stationair platform.
Stefan Milis: “De LIDAR’s kunnen voor een aanzienlijke kostenbesparing zorgen. De positionering van een offshore park is immers cruciaal om een optimaal rendement te halen. Er zijn immers lokale afwijkingen inzake windkracht, je moet rekening houden met zogeffecten, turbulenties,… Momenteel worden deze zaken bestudeerd aan de hand van de gegevens die een meteomast gedurende een jaar op de plaats van inbedding verzameld. Het plaatsen van een dergelijke meetmast in is echter een dure investering. Met LIDARS en FLIDARS kunnen we dit veel flexibeler en goedkoper realiseren met minstens dezelfde nauwkeurigheid.”
Pieter Jan Jordaens: “Een belangrijk onderdeel van het project is ook het interpreteren en valideren van de data die uit de LIDAR resulteren. Bedoeling is dat we deze kennis aanwenden voor de ontwikkeling van modellen die vervolgens nuttig zijn voor het design van de turbines en onderdelen, zoals rotorbladen, ontwikkeling van nieuwe onderhoudsconcepten, …. En ook dit zou tot kostenbesparingen en meer betrouwbaarheid moeten leiden.”
Meten is weten
Een tweede poot van het project bestaat uit de ontwikkeling van monitoringsystemen die toelaten om continu de toestand en performantie van de turbine op te volgen. Hiertoe werd een polyvalent meetsysteem aangekocht. “Momenteel zijn we al bezig met ‘structural health monitoring (SHM)’ waarbij we de structurele conditie van de fundering en toren opvolgen,” vertelt Stefan Milis. “Maar in de nabije toekomst willen we ook andere zaken meten en langdurig monitoren, zoals de toestand van de componenten in de aandrijflijn, de progressie van corrosie aan de structuur, …
De bedoeling is dat we de componentenleveranciers op die manier feedback geven over de prestaties van hun componenten in ‘real life’ condities op zee, zodat ze hun producten verder kunnen optimaliseren. Daarnaast kunnen de metingen ook in innovatieve ‘condition based maintenance’ concepten worden geïntegreerd. De monitoringsystemen worden tenslotte ook ingezet in het onderzoek ter zake dat aan onze kennisinstellingen wordt gedaan.”
Unieke infrastructuur
Dat offshore windmolens veel duurder dan onshore types zijn, heeft ook veel met de investeringskost te maken. Vooral aan de funderingen die op de zeebodem moeten worden geplaatst, hangt een enorm prijskaartje. En ook de installatie van de turbine op zich is een hele uitdaging. Om dergelijke projecten rendabel te maken, is het zaak om zo groot mogelijke windmolens te installeren. Momenteel wordt al met systemen van 5 à 6 MW gewerkt, binnenkort zijn er van 7 MW beschikbaar, en op de tekenplank liggen al ontwerpen van 10-12 MW.
Toch is de ‘opschaling’ niet zo evident, bijvoorbeeld omwille van de wieken die alsmaar groter worden. Momenteel zijn het zelfs de grootste (meer dan 60 meter lange) composietcomponenten uit één stuk ter wereld. Stefan Milis: “Maar het gaat veel verder dan alleen maar grotere wieken: elk onderdeel moet op die opschaling zijn afgestemd. En precies daar wringt het schoentje: er zijn geen referenties. Toch moet er worden getest vooraleer er kan worden gebouwd. Want als er iets fout loopt, valt het rendement van de investering letterlijk en figuurlijk in het water...
En de kans dat er zich problemen voordoen, is niet gering. Denk bijvoorbeeld maar aan een winterstorm: de turbine wordt afgezet en koelt onder het extreme weer heel erg af. Wanneer ze terug wordt opgestart en er intern locale opwarming optreedt, kan dit leiden tot schade aan kritische componenten. Deze invloed van thermische schommelingen op complexe wind turbine systemen is echter erg moeilijk te berekenen en te modelleren. Vandaar dat we hebben besloten om in de Haven van Antwerpen een testfaciliteit voor versnelde levensduurtesten te bouwen.
Deze omvat een unieke grote klimaatkamer die componenten van windturbines - zoals multi-MW tandwielkasten, generatoren, transformatoren, hydraulische actuatoren, ... - kan testen bij verschillende temperatuurscondities en in combinatie met mechanische of elektrische belasting. Bedrijven uit heel Europa kunnen deze testinfrastructuur afhuren om systeemtesten uit te voeren.” Pieter Jan Jordaens: “Het concept is niet nieuw, maar de grootte van de klimaatkamer is uniek. We zijn immers in staat om componenten van 10 x 7 x 8 m en een gewicht van 150 ton te testen, en dit in een temperatuursbereik van -60 tot +60°C.”
Nog meer in petto...
Verder ambieert het project in een latere fase nog de aankoop of ontwikkeling van ‘operation & maintenance tools’. In concreto zal een soort van simulatieprogramma worden gemaakt waarmee kan worden nagegaan welk effect bepaalde onderhoudsstrategieën en concepten op het kostenplaatje, logistiek, risico op schade, opbrengst aan energie, ..., hebben.
Het OWI-project loopt van juli 2010 tot april 2014 en wordt voor 4,8 miljoen euro door de Vlaamse Regering gesubsidieerd. Met het OWI-Lab wil Sirris echter ook na 2014 een duurzame dynamiek op het vlak van wind energie onderhouden. Daartoe initiëren de initiatiefnemers momenteel verschillende additionele onderzoeks- en innovatieprojecten en willen ze toetreden tot het EERA (European Energy Research Alliance, met een specifieke groep rond wind energie), zodat Vlaanderen ook maximaal in het onderzoek op Europese schaal kan meespelen.
door Els Jonckheere, Engineeringnet Magazine
