Udvikling af en dynamisk vindmøllevinge

Inspireret af naturen

Hvert eneste væsen i dyreriget, der bruger strømninger og strømme til at bevæge sig, er afhængigt af dynamik. Fugle spreder deres vinger bredt ud og roterer dem, mens fisk vipper deres finner for at bevæge sig fremad eller opad. Ved hjælp af biomimetik – også kaldet bionik – har mennesker lært at implantere naturens mekanismer i den teknologiske udvikling: fly, der udvider deres landingsflapper, eller bilspoilere, der bevæger sig i overensstemmelse med køretøjets hastighed.

Dette har inspireret professor Helge Aagaard Madsen fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU) til også at anvende dynamik på vindkraft. Siemens Gamesa har allerede taget de første skridt i retning af bionikken ved at udstyre deres rotorblade med savtakkede "dinosaurhaler" for at reducere støj fra luftturbulens. REHAU arbejder i øjeblikket på næste udviklingstrin: dynamisering.

Men vingen forbliver i sidste ende statisk. I et interview forklarer professor Madsen de muligheder, som dynamisering skaber for vindkraft.

_{Interview med professor Helge Aagaard Madsen, DTU}

_{Interviewet er udarbejdet af projektleder Peter Michels og Cornelia Martin, Corporate Communications, begge hos REHAU}

Professor Madsen: Vindkraft er en integreret del af vores vedvarende energityper. Hvilke muligheder ser du inden for vindkraft, især hvad angår fremtidens elforsyning?

Vi har stadig et stort arbejde foran os, når det kommer til at dække efterspørgslen efter vedvarende energi. Andelen af solenergi og vindkraft alene skal stige fra 4,5 % i 2015 til omkring 60 % i 2050 (Kilde: IRENA, 2018b).

Hvilken procentdel af blandingen af vedvarende energi til elforsyning taler vi om i Europa, nu og i fremtiden?

Ifølge WinEuropes centrale scenarie vil vi i EU få brug for en vindenergikapacitet på 323 gigawatt inden 2030. Omkring tre fjerdedele af denne andel vil være onshore, og en fjerdedel vil være offshore. Det betyder et kapacitetsoutput, som er mere end dobbelt så stort som den kapacitet, vi havde i slutningen af 2016 (160 GW). Et sådant kapacitetsoutput vil producere 888 TWh elektricitet fra vindenergi, hvilket svarer til 30 % af EU's elektricitetsefterspørgsel.

I 2018 var den gennemsnitlige andel af vedvarende energi i Europa 14 %. Danmark er førende med 41 %, og derefter kommer Irland med 28 % og Portugal med 24 %. Tyskland ligger i øjeblikket på ca. 14 %.

En afgørende faktor vil være samtidig udvikling af teknologier, der lagrer eller gemmer den producerede energi. Det kunne f.eks. være ved brug af brint.

Hvor længe har du arbejdet med din forskning, og hvordan kom dette samarbejde mellem DTU, Siemens Gamesa og REHAU i stand?

Fra 2006 til 2009 gennemførte vi den grundlæggende forskning på DTU i Roskilde. Da denne del af forskningen var afsluttet, kunne det bevises, at dynamiseringen bidrog til øget effektivitet i vindtunnelen. Vi var i laboratoriet i stand til at bevise, at en variabel form af vingens blad kan øge hele energiudbyttet fra en vindmølle.

Martin Heisterberg, direktør hos REHAU Nordic, læste om projektet i en avisartikel og tog kontakt til mig. Det var perfekt timing, for vores projekt havde lige fået ny medvind. Vi havde fået tildelt 1,2 millioner euro fra det danske finansieringsprogram EUDP, og derfor søgte vi industripartnere for at bevise projektets tekniske gennemførlighed.

Har andre virksomheder arbejdet med dette spørgsmål?

Ja. Der har eksisteret teoretiske tilgange siden 2000. Men vores forskningskolleger måtte give op, da det kom til den tekniske gennemførelse.

Hvad var det særlige ved netop dette projekt?

Det hele. Vi måtte gentænke materialer, mekanik og produktion. Der var ikke noget at bygge videre på. Men REHAU-holdet havde gejsten til at kæmpe med en "uløselig" opgave.

Den nye overflade på vindmøllebladet skulle være dynamisk. Desuden skulle den kunne holde i 25 år og ikke indeholde metaller, metalkomponenter, elektriske ledninger eller elektronik. Hele systemet skulle desuden kunne modstå massive udsving i varme og kulde. Kravene til moderne vindmøller er ekstremt omfattende.

Vi nåede det første tekniske gennembrud for en flapmodel med REHAU i efteråret 2014. Det var en fleksibel slangeprofilkombination, der opfyldte alle disse strenge krav. Denne løsning var sammensat af en profil, der kunne pustes op (hvilket gør den dynamisk), og integrerede slanger, der gjorde det muligt at flytte flappen ved hjælp af udelukkende mekanisk teknologi i form af trykluft. Styreenheden og trykluftgeneratoren kan placeres i rotorbladets nav.

Prototypen af flappen blev installeret i Delft i Holland på et udendørs teststed, der blev udviklet som en del af projektet. Her kunne den nye flapteknologi blive afprøvet i en praksisorienteret kontekst. Test bekræftede, at flapprototypen kunne modstå de reelle driftsforhold. Det betød, at faktorer som den høje centrifugalbelastning og reduktionen i svingende luftbelastninger også havde en indvirkning på en del af forskningen.

Oplevede I også tilbageslag?

Vi var glade for, at REHAU faktisk havde fundet et materiale, som kunne modstå de ekstreme forhold, der gjorde sig gældende. Men i første omgang havde vi ikke det rigtige klæbemiddel til at forbinde materialet til de kraftige Siemens-blade. Vi endte med at løse vedhæftningsproblemet gennem koekstrudering af profilerne.

I 2018 nåede vi endelig til at kunne teste den store turbine i praksis. Men så ødelagde et lynnedslag hele systemet og forsinkede projektet med seks måneder.

Hvad er fordelene ved den teknologi, der udvikles i dette projekt?

Jeg kan knytte fordelene til fire nøglekriterier:

Holdbar og robust – i al slags vejr og ingen mekanisk slitage
Nem at integrere – selv på eksisterende vindmølleblade
Skalerbar – til forskellige bladelængder (fra 60 til 100 meter)
Kommercielt attraktivt – med pålidelige afskrivningstider

Hvorfor var REHAU’s ekspertise så afgørende?

REHAU-teamet var i stand til at fordybe sig i vores forskning. Vores projekt blev også deres projekt. Deres ekspertise inden for materialer, formuleringer og processer ligner intet andet, jeg ellers har set. Forskning og udvikling synes at være dybt forankret i REHAU's DNA.

Hvad er de næste trin?

For REHAU gik vindkraftprojektet ind i sin tredje fase i efteråret 2019. Denne fase ledes af Siemens Gamesa, og alt handler nu om kommercialisering. Målet er at gøre vindmøller omkring 8 % mere energieffektive. Dette svarer til yderligere 6-15 gigawatt afhængigt af turbinens størrelse.

^{1) IRENA 2019: INNOVATION LANDSCAPE FOR A RENEWABLE-POWERED FUTURE: SOLUTIONS TO INTEGRATE VARIABLE RENEWABLES (Innovationslandskab for en fremtid med vedvarende energi: Løsninger til integration af variable, vedvarende energikilder)
2) Wind energy in Europe: Scenarios for 2030 (Vindenergi i Europa: Scenarier for 2030), september 2017, Wind Europe}