Vindmålingene som får strømprisen ned Omfattende testing i tre land har dokumentert at lasermåling av vindstyrken gir nøyaktige og pålitelige vinddata. Forskningsresultatene vil gjøre utbygging og drift av vindparker mer lønnsom. De økonomiske marginene i vindparker er små, noen ganger til og med negative. Detaljert kunnskap om vindforholdene rundt hver turbin i en vindpark kan være utslagsgivende for lønnsomheten. Likevel har det manglet gode data om hvordan meteorologiske forhold påvirker kraftproduksjonen, spesielt til havs. Måledataene har til nå begrenset seg til punktmålinger fra vindmålere i en mast. De viser bare vinden på et enkelt sted, og de måler heller ikke i samme høyde som de store turbinene som kan være 200 meter høye. Nå har NORCOWE-forskere testet ut nye metoder for nøyaktige vindmålinger med laser. De kan gi vindparkeierne og leverandørene helt ny innsikt i hvordan vinden påvirker energiproduksjonen. Helt ny kunnskap Hovedmålet med de omfattende testene i tre land over fire år har vært å karakterisere vinden som kommer inn mot en enkel vindturbin og en hel vindpark. I en vindpark er vindforholdene ulike for turbinene i første rekke og dem i rekkene bak. De som står bak den første rekken vil få mindre vind og oppleve mer turbulens enn om de hadde stått alene. Den såkalte wake-effekten kan gjøre den virkelige energiproduksjonen mye lavere enn den teoretiske og føre til større slitasje på turbinene. Kjernen i den nye metoden er lidar, et instrument som måler vindhastighet med laserlys (se egen artikkel om lidar). Vi vil forstå dette i detalj, og trengte noe bedre enn en mast som står fast når wake og vind forandrer seg stadig vekk. Vi trengte instrumenter som var mer fleksible, og da er lidar helt perfekt, sier professor Joachim Reuder ved Geofysisk institutt ved Universitetet i Bergen. Han har ledet en stor gruppe forskere tilknyttet forskningssenteret NORCOWE i Bergen. Første test på Sola flyplass Lidar-instrumenter har vært noen år på markedet, men for å finne ut om lasermålinger var nyttige for vindparker, reiste NORCOWE-forskerne til Sola flyplass i 2013. Der prøvde de en lidar som kan scanne et stort luftrom og to lidarer som måler vindhastigheten i luftsøylen opp til ca. 300 meter rett over instrumentet (statisk lidar). Målingene fra den skannende lidaren ble sammenlignet med utstyr som meteorologene bruker når de sender en ballong opp for å måle vindhastigheten i ulike høyder. Det var full klaff. Vi ville finne ut om hvor godt lidaren kunne gi oss vindprofiler opp til to-tre kilometer, og hvordan den målte overgangen i vindforholdene mellom sjø og land. Testene viste veldig godt samsvar, sier Reuder. På land i Nederland I Wieringermeer nord for Amsterdam har det nederlandske energiinstituttet ECN satt opp en rekke testturbiner. Høsten 2013 satt NORCOWE-forskerne opp tre statiske lidarer og en scanning-lidar rundt en standard 2,5 MW vindturbin. I tillegg sto to lidarer i toppen av turbinen for å måle vinden horisontalt foran og bak turbinen. Målingene ble sammenlignet med tradisjonelle vindmålinger i en mast i nærheten. Målingene ble foretatt fra november 2013 til mai 2014 og ga en mengde data som forskerne fortsatt jobber med og kan dykke ned i.
Vi fikk ut veldig viktig informasjon om hvordan waken (vindfeltet bak turbinen) ser ut, hvordan den beveger seg og hvordan den forandre seg i tid, samt hvilken rolle temperaturfordeling med høyden, dvs. atmosfærisk stabilitet, spiller i denne sammenhengen. Og vi lærte masse om den riktige måten å bruke lidar på, sier Reuder. Et av de interessante funnene er at wake-effekten er størst ved stabile vindforhold, såkalt stabilt atmosfærisk sjiktning. Den opptrer hovedsakelig om vinteren og om natten,. Waken er minst når det er mye turbulens, f. eks. på dagtid om sommeren. Til havs i Tyskland Etter å ha dokumentert at lidar var velegnet til å måle vindhastigheter i ulike høyder foran og bak en vindturbin, var NORCOWE-forskerne våren 2015 klare til å ta det store spranget til en vindpark til havs i målekampanjen OBLEX-F1. I samarbeid med mange tyske forskningsinstitusjoner, partnere i NORCOWE og utstyrsleverandører har forskerne fra Universitetet i Bergen og CMR gjort omfattende målinger i lufta og havet ved vindparken Alpha Ventus utenfor nordvestkysten av Tyskland. Dette er en vindpark med 12 turbiner og en plattform med vindmålermast FINO 1. I forsøket målte en scanning-lidar vinden som kom inn mot vindparken og en annen som målte wake på baksiden av turbinene mens en statisk lidar målte vindhastigheten i ulike høyder langs masten på Fino-1. I tillegg var to statiske lidarer plassert på flytende bøyer utenfor vindparken. Forskerne samlet også inn store mengder andre meteorologiske og oseanografiske data. Forsøkene gikk fra mai 2015 til oktober 2016. Disse forsøkene var uten tvil det største vi fikk til i NORCOWE. Målekampanjen var helt unik og den største tilsvarende aktiviteten i verden til nå. Vi fikk prøvd flere nye metoder spesielt rettet mot å karakterisere turbulens. De har gitt lovende resultater, men vi må se mer i detaljer før vi kan si så mye mer, sier Reuder. Forsøkene ved vindparken Alpha Ventus har brakt NORCOWE og dets partnere i teten når det gjelder å bruke scanning-lidar til havs. I tiden fremover vil det komme en rekke vitenskapelige og andre artikler om forsøkene. Industrien er svært interessert i resultatene og ønsker raske svar. Blant dem er Statoil. Vi finner forskningen på lidarteknologi og forsøkskampanjene interessante. I arbeid med å få modellert vindfeltet korrekt, og dermed få simulert korrekte vindlaster på vindturbinstrukturene, ser vi frem til resultater av analysene som gjøres med data fra målekampanjen på FINO-1, sier forskningsleder Marte Godvik i Statoil. Hun holdt også en presentasjon under NORCOWEs Science Meet Industry i Stavanger våren 2016 om wake på store flytende vindturbiner. Viktige resultater for industrien Industrien bruker uttrykket levelized cost of energy (LCE) som er en beregning av hvor mye hver kilowattime produsert koster over vindparkens levetid. Lidarteknologi hjelper både til å øke inntektene via bedre planlegging og styring av vindparkene og å senke kostnadene ved produksjon av vindturbinene Kunnskapen fra forsøkene i OBLEX-F1 vil bidra til bedre informasjon for de som designer vindparker og hint om hvordan operatørene skal styre vindparken under ulike atmosfæriske forhold. På sikt håper vi også at vi kan levere viktige innspill til en ny offshore vindstandard for design av turbiner og turbinblader, sier Reuder.
Hvis en standard er altfor strenge bruker produsentene unødvendig mye stål og karbonfiber. Med en riktigere standard basert på ny kunnskap kan produsentene bruke mindre materialer og lage turbinene billigere. Store belastninger Nye vindturbiner kan ha turbinblader opp mot hundre meter. Da er ikke vinden lik over hele lengden. I verste fall kan vinden i den ene enden av turbinbladet komme fra én retning mens vinden i den andre enden kommer fra motsatt retning. Det blir en kraftig ekstrabelastning som må legges inn som sikkerhetsfaktor når produsentene av vindturbiner skal designe turbiner til en vindpark. Leverandørene vil derfor gjerne vite hvordan vindhastigheten i et punkt på turbinbladet er sammenlignet med vindhastigheten i et annet punkt. I dag brukes data fra målinger over land når produsentene skal gjøre sine beregninger av belastning. Problemet er at vindmålingene er gjort fra master som er lavere enn høyden store turbiner når opp til. Det betyr at standardene som blir brukt i dag, ikke er egnet for de nye og større turbinene. Derfor er dette et viktig forskningstema, sier Reuder. Temperatur og turbulens Ulik temperatur i de 200 meterne fra havflate til toppen av turbinene kan slå kraftig ut på energiproduksjonen i en vindpark. Hvis temperaturen stiger med høyden, såkalt inversjon, er luften ganske stabil med liten mulighet for å blande luftlagene. Det betyr at waken er kraftigere og at vindturbinene i rekkene bak den første vil produsere mye mindre energi. Når det er ustabile forhold, blander lufta seg raskt og produksjonen øker. I dag er ikke måledataene tilstrekkelige til å kvalifisere datamodellene som brukes for å planlegge en vindpark. Da er det ikke sikkert at vindturbinene blir plassert på den beste måten for å produsere mest mulig energi. Lasermålinger vil også være nyttige når vindparken er i drift. Da kan operatørene få informasjon om wake-effekten og styre vindturbinene slik at den første rekken av vindturbiner slipper gjennom mer luft for at wake-effekten skal bli mindre på turbinene bak. Det kan forbedre produksjonen fra vindparken som helhet med noen prosent, noe som betyr mye for bunnlinjen i regnskapet til vindparkeierne. Flytende lidarer En viktig del av forsøkene var å teste ut lidarer plassert på bøyer. De blir utstyrt med bevegelseskompensasjon slik at de kan måle nøyaktig det luftrommet forskerne ønsker. Også disse testene var vellykkede, og har bidratt til kommersialisering av ny teknologi utviklet av partnere i NORCOWE. Å sette opp en mast offshore er dyrt og du får begrenset informasjon. Kan du sette en lidar på en bøye med bevegelseskompensasjon og slepe den ut er det både raskere og billigere å kartlegge vindressurser for nye offshore utbygginger, og du får mer kunnskap om luftlagene enn med en mast. Lidarteknologien er nå verifisert og vi tror lidar vil bli den nye gullstandarden for å måle vind offshore, sier prosjektleder for OBLEX-F1-kampanjen, Benny Svardal, forsker ved CMR. Han har opplevd stor pågang fra både norske og utenlandske industriaktører og forskningspartnere om resultatene fra forsøkene. Spinoff: Måler vindbelastning på broer Forsøkene med lidar har ikke begrenset seg til vindparker.
Vi er mest fokusert på offshore vind, men ser mange andre anvendelser for lidarteknologi i industrien i Norge. For eksempel kartlegging av turbulens på flyplasser og vindforholdene der broer skal bygges, sier Svardal. For å sjekke om lasermålinger er egnet for brubygging tok NORCOWE-forskerne med seg en 3D skannende lidar til Lysefjorden. I samarbeid med Universitetet i Stavanger (UiS) og Statens vegvesen kartla de vindforholdene i området rundt Lysefjordbroen. Detaljerte data om vind og turbulens langs hele brospennet, og hvordan den endres med vindretningen i fjorden, er viktig informasjon både for å kvalitetssikre datamodeller som benyttes for design av nye broer, og for å tilpasse brukonstruksjonene lokale forhold. UiS, Danmarks tekniske universitet (DTU) og CMR har også nylig gjennomført avanserte lidarmålinger på Bjørnafjorden, hvor resultatene kan gi viktige bidrag knyttet til utfordringene ved de lange fjordkryssingene i «ferjefri E39»-prosjektet. Les mer om målekampanjene i presentasjonene på NORCOWE 2016 Conference. Vindmålingene ved Sola flyplass viste av en skannende lidar kunne måle vindhastighetene med laser. Foto: UiB
WINTWEX-kampanjen: Målingene fra lidar ble sammenlignet med mange andre målemetoder i vindparken i Wieringermeer i Nederland. Foto: Benny Svardal Utstyret rigges på måleplattformen FINO-1 ved vindparken Alpha Ventus, i det som er den største målekampanjen for lidar til nå. Foto: Benny Svardal
Prosjektleder for OBLEX-F1-kampanjen, Benny Svardal. Foto: CMR