Drijvende windturbines veranderen alles

Nieuws - 20 april 2022

Axelle Viré (Associate Professor Floating Offshore Wind) over het nieuwe Floating Renewables Lab

Om in 2050 een klimaatneutraal land te worden, moet het aandeel opgewekte duurzame energie op zee fors omhoog. Daarin spelen drijvende windturbines, zonnepanelen en getijdencentrales een cruciale rol. Het nieuwe Floating Renewables Lab van de TU Delft gaat onderzoek en innovatie op dit gebied een flinke boost geven. Goed voor het klimaat, de portemonnee én de BV Nederland, vertelt Axelle Viré, Associate Professor Floating Offshore Wind Energy.

Het omslagpunt kwam recent, nog maar een paar jaar geleden. Opeens was overal het besef dat we klimaatneutraliteit ‘in no way’ gaan halen met alleen fixed wind: traditionele windmolens die staan in het ondiepe gedeelte van de Noordzee. “We hebben eenvoudigweg niet genoeg ondiep water om die ambitie te kunnen halen”, vat Viré het samen.

De onderzoekster, verbonden aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, doet zelf dan al een kleine tien jaar onderzoek naar drijvende windturbines, die met kabels zijn verankerd in de zeebodem. Het is technologie die nog in de kinderschoenen staat. Viré raakte erdoor gefascineerd toen ze aan het einde van haar promotieonderzoek rond 2010 in het nieuws las hoe het Noorse oliebedrijf Statoil (tegenwoordig Equinor) het eerste full-scale prototype van een drijvende windmolen inzette.

Ongeloof

Aanvankelijk waren veel mensen sceptisch. “Zij vroegen zich af of dit wel realiteit zou worden.” Dat weerhield Viré niet om door te zetten. Ze haalde een prestigieuze onderzoeksbeurs binnen en werkt inmiddels fulltime aan ‘drijvende wind’. Ze is blij dat de meeste partijen ‘om’ zijn. “Het is leuk om te zien, want het betekent dat er veel dingen gaan gebeuren. De ontwikkelingen gaan snel!” 

De technische uitdagingen zijn niettemin groot. Innovatie op alle vlakken is nodig, van fundamenteel onderzoek, design en besturing tot massaproductie en uitrol van drijvende windturbines.
 

Atlantische oceaan

Het potentieel is ook groot. Tachtig procent van de Europese wateren zijn te diep voor traditionele windmolens. Drijvende windturbines zullen de komende decennia naar verwachting ongeveer 150-200 gigawatt opbrengen. Ter vergelijking: momenteel staat er voor zo’n 12 gigawatt aan ‘vaste’ windmolens. Wat er ligt aan drijvende wind telt nog niet op tot een enkele gigawatt. Schotland kondigde in januari als eerste een reeks projecten aan van in totaal 15 gigawatt aan drijvende windturbines .

LEES OOK: Towards a renewable offshore energy system

Daarnaast waait het juist in diepere wateren zoals de Atlantische oceaan vaak het hardst. Ook biedt deze technologie uitkomst voor landen zonder ondiepe kustwateren, zoals Frankrijk of Noorwegen. “Voor deze landen staat offshore wind gelijk aan drijvende wind.”

Key enabler voor waterstof

Behalve de opwekking van elektriciteit zullen de drijvende windparken ook worden ingezet voor de productie van waterstof. Viré noemt dat de ‘key enabler’. Waterstof is veel goedkoper te transporteren dan elektriciteit, dus het loont vooral om het ver weg, in diep water, te produceren. “Daarvoor heb je floating renewables nodig.”

De technologische uitdagingen zitten hem vooral in de combinatie van wind, golven, ijsvorming en de zeebodem (aerodynamica, hydrodynamica en grondmechanica), die alle van invloed zijn op het gedrag van een drijvende windturbine. Als de wind verandert, verandert ook de manier waarop de turbine op het water beweegt. In een traditionele windtunnel kun je alleen de invloed van de wind meten, niet de interactie met de zee.

Hexapod

In het Flotating Renewables Lab worden acht bestaande faciliteiten om deze verschillende aspecten te onderzoeken virtueel aan elkaar gekoppeld (zie illustratie). Behalve een windtunnel en golftank gaat het bijvoorbeeld om een akoestische tank om het geluid van offshore systemen onder water te berekenen, een ijskamer die de invloed van (drijvend) zee-ijs simuleert of een zogeheten geotechnische centrifuge om de interactie tussen de kabel die het platform op zijn plek houdt en de zeebodem te registreren.

De faciliteiten worden verder uitgerust met hardware in the loop: denk aan hexapods (grote zespotige robots met grote bewegingsvrijheid), aangedreven door een numeriek model om in de windtunnel de invloed van golven na te doen.

Machine learning

Ook Artificiële Intelligentie (AI) speelt een belangrijke rol. “Voor realistische testen moet je realtime golven kunnen nabootsen”, legt Viré uit. Zogeheten high-fidelity modellen zijn daarvoor vaak te langzaam. Machine learning biedt uitkomst, omdat je daarmee wel snel het gedrag van golven kunt simuleren. “Met AI zorgen we voor accurate testresultaten van hoge kwaliteit zonder dat het ten koste gaat van de snelheid.”

Artificiële intelligentie wordt daarnaast ingezet voor de besturing van de windturbines, als onderdeel van een windpark. Dat gebeurt in het Wind AI Lab – een van de acht faciliteiten - onder leiding van hoogleraar Data-Driven Control Jan-Willem van Wingerden (Faculteit 3ME). Het resultaat van dit alles: de mogelijkheid om álle aspecten van drijvende windturbines in nagenoeg levensechte omstandigheden te testen.

Windtunnel leert van golftank

De experimenten vinden niet plaats in alle acht faciliteiten tegelijk, maar bouwen op elkaar voort. “In de windtunnel gebruiken we echte wind en een numeriek model dat de hexapod de bewegingen van de floater laat simuleren”, vertelt Viré. Dat model moet wel accuraat zijn, en daarvoor wordt data gebruikt uit de golftank.

“Omgekeerd testen we in de golftank met de echte golven en gebruiken we een model om de invloed van de turbine te simuleren. Dat model leert weer van de windtunneldata.”

Uniek in de wereld

De acht afzonderlijke faciliteiten zijn niet uniek, de combinatie is dat wel. “Op zee is het moeilijk om de individuele effecten te isoleren. Testen op labschaal in een gecontroleerde omgeving is beter geschikt om ons fundamentele begrip van deze verschijnselen te verbeteren”, zegt Viré. “In dit lab kunnen we de output van verschillende complementaire hybride proefopstellingen met elkaar vergelijken en onze modellen voor full-scale systemen verbeteren op basis van de data uit alle acht faciliteiten. Het is uniek in de wereld.”

Op termijn zal hierdoor het vertrouwen in testen op labschaal toenemen waardoor de noodzaak om op zee te testen zal afnemen – met lagere kosten als gevolg. “Offshore demonstrators zijn heel erg duur.” Om grootschalige aanleg van drijvende windparken te versnellen, is samenwerking met de industrie noodzakelijk, zodat de opgedane kennis uit het Floating Renewables Lab snel naar nieuwe toepassingen vloeit.

Economische groei

Dat is hard nodig. Innovatie over de hele linie is een voorwaarde voor succes. “Het is bijvoorbeeld nog steeds niet duidelijk wat nou de beste drijver voor windturbines.” Datzelfde geldt voor het ontwerp en aansturing van de turbine, vervolgt Viré. Een grote uitdaging is de vraag hoe deze technologie op grote schaal kan worden uitgerold. “Het gaat dus om innovatie op zowel fundamenteel niveau als het gebied van productie.”

Nederland kan hiervan profiteren. Hoewel ons land over weinig diepe kustwateren beschikt, zijn onze bedrijven uitermate actief in de offshore sector, en bijvoorbeeld betrokken bij de aanleg van de drijvende windparken in Schotland. “De logistiek, de infrastructuur, de hele economie zal ervan profiteren, vooral in combinatie met de productie van waterstof”, verwacht Viré.

Eindgebruiker profiteert

Dat geldt ook voor de burger als eindgebruiker. Consumenten moeten op termijn overschakelen op duurzame energie. Floating renewables helpen daaraan bij.” Een grootschalige uitrol van drijvende wind- en zonneparken leidt ertoe dat Nederland sneller een schone energievoorziening heeft.”

Viré is onderdeel van het Accelerator Team van de TU Delft, gericht op het versnellen van onderzoek en innovatie op het gebied van de energietransitie. Floating renewables spelen hierin een belangrijke rol. “Veel regeringen willen al in 2030 de hoeveelheid windenergie fors verhogen. Zonder drijvende windparken ga je dat niet halen.”

Innovatie versnellen

Sinds de wind recentelijk draaide naar een gunstiger richting, vormt het Floating Renewables Lab een nieuw omslagpunt voor Viré. “We willen een positieve impact maken en innovatie versnellen met drijvende wind.” Daarnaast wil ze ook nieuwe studenten inspireren, want de industrie staat te springen om talenten.

Reflecterend op vooruitgang in haar vakgebied, na alle scepsis: “Het is ongelooflijk dat nog geen tien jaar veel mensen hier niet in geloofden.” Het toont aan dat je als wetenschapper soms eigenwijs moet zijn, aldus Viré. “Houd vast aan je overtuigingen als je goede ideeën hebt.”

/* */