Utveckla ett dynamiskt vindturbinblad

Inspirerat av naturen

Varje varelse i djurriket som använder flöden och strömmar för att röra sig är beroende av dynamik. Fåglar sprider ut vingarna och vrider på dem, medan fiskar vickar på fenorna för att ta sig framåt eller uppåt. Med hjälp av bionik har människor lärt sig att implantera naturens mekanismer i den tekniska utvecklingen – flygplan som förlänger landningsklaffarna eller en bilspoiler som anpassar sig efter fordonets hastighet.

Detta inspirerade professor Helge Aagaard Madsen från Danmarks tekniska universitet (DTU) att också tillämpa dynamik på vindkraft. Siemens Gamesa har redan tagit de första stegen mot bionik och utrustat sina rotorblad med ”dino-svansar” för att minska buller som produceras av luftturbulens. REHAU arbetar för närvarande med nästa utvecklingsfas: dynamisering.

Ändå förblir bladet i slutändan statiskt. I en intervju förklarar professor Madsen möjligheterna som öppnas för vindkraft med dynamisering.

^{Intervju med professor Helge Aagaard Madsen, DTU, Danmark}

^{Intervju av Peter Michels, projektledare och Cornelia Martin, företagskommunikation på REHAU}

Professor Madsen, vindkraft är en väsentlig del av den förnybara energimixen. Vilka möjligheter ser ni inom vindkraft med avseende på framtidens elförsörjning?

Vi har fortfarande mycket att göra för att täcka efterfrågan på förnybar energi. Enbart andelen solenergi och vindkraft behöver öka från 4,5 % år 2015 till cirka 60 % år 2050 (Källa: IRENA, 2018b).

Hur stor andel av elblandningen pratar vi om i Europa, nu och i framtiden?

Enligt WindEuropes huvudscenario skulle vi behöva installera 323 gigawatt vindkraftkapacitet i EU till 2030. Cirka tre fjärdedelar av detta på land och en fjärdedel offshore. Detta motsvarar mer än dubbelt den installerade produktionen i slutet av 2016 (160 GW). Denna kapacitet skulle producera 888 TWh el från vindkraft, vilket motsvarar 30 % av EU:s elbehov.

År 2018 var den genomsnittliga andelen förnybar energi i Europa 14 %. Danmark är ledande med 41 %, följt av Irland med 28 % och Portugal med 24 %. Tyskland ligger för närvarande på cirka 14 %.

En avgörande faktor kommer att vara samtidig utveckling av teknik som lagrar eller sparar den producerade energin. Till exempelvis genom att använda väte.

Hur länge har ni bedrivit er forskning och hur uppstod samarbetet mellan DTU, Siemens Gamesa och REHAU?

Mellan 2006 och 2009 genomförde vi grundforskningen vid Danmarks tekniska universitet i Roskilde. I slutet av denna forskningsinsats var det i vindtunneln möjligt att bevisa dynamiseringens bidrag till ökad effektivitet. I laboratoriet kunde vi bevisa att en variabel bladform kan öka hela energiutbytet från ett vindkraftverk.

Martin Heisterberg, chef för REHAU Nordic, läste om projektet i en tidningsartikel och kontaktade mig. Det var precis i rätt tid, för vårt projekt hade just fått medvind igen. Utrustade med 1,2 miljoner euro från det danska finansieringsprogrammet EUDP, letade vi efter industripartners för att bevisa projektets tekniska genomförbarhet.

Har andra företag arbetat med den här frågan?

Ja. Det har funnits teoretiska närmanden sedan 2000. Men våra forskarkollegor gav upp när det kom till teknisk implementering.

Vad var speciellt med just det här projektet?

Allt. Vi behövde ompröva material, mekanik och produktion. Det fanns inget att utgå från. Men REHAU-teamet hade den rätta andan för att kämpa med en ”olöslig” uppgift.

Den nya bladytan var tvungen att vara dynamisk, hålla i 25 år och inte innehålla metaller, metallkomponenter, elektriska ledningar eller elektronik. Hela systemet måste också klara stora svängningar mellan värme och kyla. Kraven på moderna vindkraftverk är enorma.

Vi uppnådde det första tekniska genombrottet för en klaffmodell med REHAU hösten 2014 – en flexibel slangprofilkombination som uppfyllde alla dessa stränga krav. Lösningen bestod av en profil som kunde pumpas upp (vilket gjorde den dynamisk) och integrerade slangar som gjorde det möjligt att flytta klaffen med endast mekanisk tryckluftsteknik. Styrenheten och tryckluftgeneratorn kunde placeras i rotorbladets nav.

Klaffprototypen installerades på en testplats utomhus i Delft, Nederländerna som utvecklades som en del av projektet. Här kunde den nya klafftekniken testas i ett praktiskt sammanhang. Tester bekräftade att klaffprototypen klarade verkliga driftsförhållanden. Så saker som den höga centrifugalbelastningen och minskningen av fluktuerande luftbelastningar ingick också i forskningen.

Stötte ni också på motgångar?

Vi var mycket glada över att REHAU faktiskt hade hittat ett material som kunde motstå de extrema förhållandena. Men ursprungligen hade vi inte rätt lim för att ena det till de kraftfulla Siemens-bladen. Så småningom löste vi problemet genom samsträngsprutning av profiler.

Slutligen, 2018, var vi framme vid fältförsöken för den storskaliga turbinen. Då förstörde ett blixtnedslag hela systemet och projektet förlorade sex månaders arbete.

Vilka är fördelarna med tekniken som utvecklas i projektet?

Jag kan knyta detta till fyra viktiga kriterier:

Hållbar och robust – i alla sorters väder utan mekaniskt slitage
Lätt att integrera – även i befintliga blad
Skalbar – för olika bladlängder (från 60 till 100 meter)
Kommersiellt attraktiv – med pålitliga avskrivningstider

Varför var REHAUs expertis så avgörande?

REHAU-teamet kunde fördjupa sig i vår forskning. Vårt projekt blev också deras projekt. Deras expertis inom material, formuleringar och processer är inte likt något annat som jag har upplevt. Forskning och utveckling verkar vara djupt rotade i REHAUs DNA.

Vad blir nästa steg?

För REHAU gick vindkraftsprojektet in i sin tredje fas hösten 2019. Denna fas leds av Siemens Gamesa och är nu inriktad på kommersialisering. Tanken är att göra vindkraftverken cirka 8 % mer energieffektiva. Detta motsvarar ytterligare 6 till 15 gigawatt, beroende på turbinens storlek.

^{1) IRENA 2019: INNOVATIONSLANDSKAP FÖR EN FÖRNYBART DRIVEN FRAMTID: LÖSNINGAR FÖR ATT INTEGRERA VARIABLA FÖRNYBARA ENERGIKÄLLOR
2) Vindenergi i Europa: Scenarier för 2030, september 2017, Wind Europe}