Windparken beter benutten

De voorste turbines in windparken op zee vangen voor een deel de wind weg van andere turbines. Slimme Delftse regeltechniek kan dit probleem voor een deel oplossen en zo de efficiëntie verhogen.Op de Noordzee zijn grote plannen voor de aanleg van nieuwe windparken. In 2040 moeten er zes tot negen keer meer offshore windturbines staan dan nu het geval is – er staat momenteel ongeveer aan vijf gigawatt piekvermogen. Maar de windenergiesector heeft het niet makkelijk. Op projecten die nu worden aanbesteed, komen weinig tot geen inschrijvingen binnen. Parken bouwen is te duur geworden en voor bedrijven is de onzekerheid te groot of ze hun mega-investeringen wel terugverdienen.Materialen en energie zijn veel duurder dan slechts enkele jaren terug en ook de onzekerheid over de marktprijzen van elektriciteit werkt niet mee. CapaciteitsfactorEind december kwam daar nog slecht nieuws uit de wetenschapswereld bovenop. Onderzoekers van onder meer de TU Delft lieten zien dat dichtbebouwde windparken aanzienlijk minder energie opwekken dan was berekend. De overheid rekent met een capaciteitsfactor van windturbines van net boven de 50 procent. Die factor geeft aan wat een turbine in de praktijk gemiddeld opbrengt aan energie.Is de capaciteitsfactor van een turbine met een piekvermogen van tien megawatt bijvoorbeeld 50 procent, dan wekt die turbine gemiddeld genomen ‘maar’ vijf megawatt aan stroom op. Factoren boven de 50 procent zijn echter veel te ruim ingeschat, schrijven de Delftse onderzoeker Carlos Simão Ferreira en collega’s.Realistischer is een capaciteitsfactor van 35 procent of net erboven. Dat is ook in lijn met wat onderzoekers in ons omringende landen hebben gevonden. Dit komt doordat turbines die middenin een windpark staan, minder wind kunnen vangen dan exemplaren die vooraan vol in de wind staan. In een bos zwiepen de buitenste bomen ook harder als het flink waait. Anders gezegd: de windturbines middenin het windpark hebben last van het zog van turbines ervoor. De windstroming verliest in het park aan snelheid en wordt turbulenter.Een simulatie van wake steering, het afbuigen van het zog van een turbine (rechterbeeld), zodat het grotendeels een turbine op de volgende rij mist (linkerbeeld). ILLUSTRATIE: JAN- WILLEM VAN WINGERDEN Zog manipulerenIngenieurs zouden geen ingenieurs zijn als ze hier niet ook een oplossing voor bedachten. De centrale vraag daarbij: hoe is die zuiging van de windturbines op de eerste rij zó te manipuleren dat de molens die erachter staan er minder last van hebben?Een van de eerste dingen ze hiervoor bedachten is wake steering, het schuin zetten van een turbine ten opzichte van de windstroming. Het gevolg hiervan is dat het zog erachter een beetje van de rechte lijn afwijkt en de volgende turbine er minder hinder van ondervindt. Dat idee bestaat al een jaar of tien en wordt inmiddels verwerkt in de nieuwste windparken die worden aangelegd, vertelt hoogleraar Jan-Willem van Wingerden van de TU Delft, die onderzoek doet naar het manipuleren van luchtstromingen in windparken. ‘We weten dat wake steering werkt, maar het blijft in de praktijk uitdagend om er winst mee te boeken. Zelfs als het lukt om het zog goed weg te sturen, raakt het verderop toch vaak een andere windmolen.’Wat het nog lastiger maakt, is dat de windrichting voortdurend varieert: de wind is vrijwel altijd wel een beetje aan het draaien. Waar het zog met wake steering eerst nog schuin langs de achterliggende turbines werd gestuurd, kan het toch ineens molens op de tweede rij raken. Mede hierdoor is het lastig om te bewijzen dat er met wake steering meer energie uit een park te halen is, zegt Van Wingerden. ‘Er zijn zoveel variabelen.’Experiment in het Wind AI Lab van de TU Delft. Deze windtunnel heeft meer dan twaalfhonderd kleine ventilatoren die afzonderlijk worden aangestuurd en waarmee complexe windprofielen te maken zijn. FOTO: TU DELFT Draaiende wokkelEen paar jaar terug bedacht Van Wingerden iets nieuws. De pitch van de bladen – dat is hoe ver ze om hun eigen as staan gedraaid – is slim in te zetten om het zog te beïnvloeden. ‘Het was geen klassiek eurekamoment. Ik was gewoon met de modellen van de windturbines aan het spelen, dingen aan het variëren, resultaten aan het interpreteren, ondertussen bedenkend wat ik zag gebeuren. Dat is hoe onderzoek werkt.’Wat hij dan zag? Door de drie bladen van een turbine goed getimed om hun eigen as te laten draaien, krijgt het zog achter de windturbine de vorm van een helix. ‘Je moet het zien om het te geloven, deze draaiende wokkel achter een windturbine. Daarvoor moet de pitch van elk blad afzonderlijk aan te sturen zijn’, legt Van Wingerden uit. ‘Maar vanaf vijf megawatt hebben alle modellen dat.’Bijkomend effect van het roteren van de luchtstroom achter de turbine is dat het zog per saldo wat korter wordt. En dát heeft weer als voordeel dat achterliggende molens minder last hebben van dat zog en dus minder energieverlies. ‘En dat niet alleen’, zegt Van Wingerden. ‘Hierdoor wordt een windpark ook minder gehinderd door variaties in de windrichting.’ Nadeel is dan weer dat de lagers van de turbinebladen iets zwaarder worden belast, omdat de rotorbladen bij het helix-concept continu oscillerend om hun as moeten draaien.Simulatie van twee windturbines waarbij het zog achter de eerste precies bij de tweede terechtkomt. Links de situatie zonder ingrijpen; midden met een gepulste aanpak; rechts de helix-aanpak. De vermogenswaarden bij de turbines zijn een momentopname, maar het gemiddelde opgetelde vermogen is bij de helix-aanpak het hoogst. GRAPHIC ( BEWERKT): JAN- WILLEM VAN WINGERDENPraktijkexperimentIn simulaties geeft de helix-aanpak hoopgevende resultaten; die kan de energieopbrengst van een windpark met een paar procent verhogen, zegt Van Wingerden. ‘Het hangt van veel zaken af, maar we gaan uit van ongeveer 2 procent.’ Of dit in de praktijk ook zo uitwerkt, gaan Van Wingerden en collega’s binnenkort onderzoeken. Op een van de windturbines in windpark Hollandse Kust Noord op de Noordzee, gaan ze met lidars – technologie die afstanden meet met weerkaatsend laserlicht – het zog meten. ‘Er komen twee lidars op de turbine zelf te staan die naar achteren kijken. En op een turbine erachter zetten we nog twee lidars die naar voren in hetzelfde zog kijken. Het licht van de lasers weerkaatst op aerosolen die meewaaien met de luchtstroom.’ Tegelijk worden ook metingen verricht aan andere molens in het windpark. De energieopbrengst van de afzonderlijke molens natuurlijk, maar denk ook aan de doorbuiging van de bladen en van de mast, en het krachtkoppel op de generator.De afgelopen paar maanden is het team bezig geweest met de installatie van de lidars en andere meetapparaten. In april gaan de eerste metingen van start. Van Wingerdens team hoopt er onder meer uit te halen bij welke frequentie van de roterende bladen de helix optimaal werkt. ‘We zijn ook benieuwd wat de belastingen zijn van de verschillende windturbines. Maar bovenal moet uit deze experimentele aanpak blijken of onze simulaties betrouwbaar zijn. We hebben het helix-concept al op schaal getest in onze windtunnel, met model-molens en zeepbelletjes om de luchtstroming te kunnen zien. Dat gaf vertrouwen.’Cluster wake in de praktijk. Beeld van de SENTINEL-1A-satelliet, gemaakt boven de zuidwestkust van Denemarken. De witte puntjes linksonder zijn turbines van drie windparken. De donkere vegen rechts ervan zijn het resultaat van lagere windsnelheden in het zog van de parken. BEELD: ESAPuzzelenVan Wingerden denkt dat in de toekomst door slimme regeltechniek meer energie uit windparken wordt gehaald. Goed voor de exploitant die meer verdient, maar ook voor de maatschappij die meer groene stroom krijgt. Bijkomend voordeel van het optimaal regelen van turbines en wieken is dat de mechanische belasting op de bewegende onderdelen waar nodig kan worden verminderd. De exploitant kan straks kiezen uit deze twee voordelen: hogere opbrengst bij hoge prijzen voor windstroom of een langere levensduur bij lage of soms zelf negatieve prijzen.Er bestaan inmiddels verschillende technieken om uit een windturbine zoveel mogelijk energie te halen. Hoe die het best te combineren zijn, is onderwerp van het vierjarige onderzoeksproject Sudoco, dat Van Wingerden leidt. Dat de naam lijkt op de bekende puzzels, is geen toeval. Want het optimaliseren van een nieuw te bouwen windpark is een heuse puzzel, vertelt Van Wingerden. ‘Er zijn veel parameters die we kunnen variëren in een windpark. Het type turbine, de plek in het park – in de lengte én de breedte – en dus de onderlinge afstanden, de windrichtingen en -snelheden over een jaar genomen. En daarbovenop al die regeltechniek die we nu tot onze beschikking hebben. Dat zijn veel variabelen voor een optimalisatieprobleem.’ControlekamerEen belangrijk vraag daarbij is: waarvóór wil je een werkend windpark optimaliseren? Voor de energieopbrengst, de marktprijs van elektriciteit of voor een minimale belasting van de onderdelen zodat de turbines langer meegaan? Dat kan straks allemaal worden geregeld, in de controlekamer van de toekomst.Het wordt zelfs mogelijk elke turbine iets anders te laten doen, naargelang van wat op dat moment het beste is voor het park als geheel. Het vormgeven van de ‘control room of the future’ is één van de doelen van het Sudoco-project.Ook het basisontwerp van een windpark zal in de toekomst een beetje veranderen. ‘Met de allerbeste regeltechniek tot je beschikking kun je een windpark net wat anders ontwerpen’, zegt Van Wingerden. ‘Turbines kunnen bijvoorbeeld wat dichter bij elkaar staan omdat we het zog kunnen wegsturen of korter maken.’Daarbij ontkomen de Delftse onderzoekers niet aan de inzet van kunstmatige intelligentie (AI) om tot het beste ontwerp te komen. AI is ten slotte goed in het oplossen van complexe puzzels.‘We gebruiken machine learning om de optimale plaatsing van de turbines te vinden en tegelijkertijd de regeltechniek af te stellen’, zegt Van Wingerden. Een bekend bezwaar van AI is het gebrek aan inzicht hoe de algoritmen tot een uitkomst komen. ‘Daarom gebruiken wij physics-informed machine learning. Dat is AI waaraan wij de beperkingen van de natuurwetten opleggen, waardoor er sneller een bruikbare oplossing uit rolt. Denk aan de stromingsrichting van de wind of bekende trilfrequenties van molens. Soms is het juist nuttig om je te laten verrassen door de algoritmen.’Wind afsnoepenKomen de plannen voor 2040 uit, dan is het straks druk op de Noordzee, zo druk dat windparken elkaar onderling beïnvloeden. Want net zoals losse windturbines ín een park wind van elkaar afsnoepen, kunnen windparken dat onderling ook: ‘Dan komt een windpark verderop in het grote zog – de cluster wake – van een eerder windpark terecht.’ Maar ook hier blijkt het mogelijk het zog korter te maken door het krachtenspel in het windpark te manipuleren. De helix-aanpak werkt namelijk ook voor windparken onderling, ontdekte de groep van Van Wingerden. Door de afzonderlijke turbines optimaal aan te sturen is een helix te creëren, waardoor ook het zog van het windpark zelf korter wordt.De helix van een windpark heeft wel een andere tijdschaal. Bij een turbine gaat hij rond in honderd seconden; bij cluster wake control roteert de helix over een periode van vijftien minuten. Deze aanpak geeft grotere opgetelde opbrengsten van windparken die elkaar anders in de weg zouden zitten. Deze cluster wake control is niet alleen toepasbaar op nieuwe windparken, maar ook op bestaande parken. Aan de plek is niets meer te veranderen, maar met slimme regeltechniek kunnen zowel oude als nieuwe windparken meer stroom gaan leveren. Openingsfoto: VattenfalOffshore windpark Horns Rev 1, voor de westkust van Denemarken. Zeer vochtige lucht krijgt net het laatste zetje door de turbulentie achter de turbine, waardoor waterdamp condenseert en zich wolken vormen. Het zog achter een windturbine is zelden zichtbaar. Dit is een uitzondering.

Windparken beter benutten

Dit artikel lezen?

Meer artikelen

Het onbenutte vermogen van aquathermie

Robotvloot ruimt de zeebodem op