Rotor uit één stuk en schuin op de wind. Goedkoper en efficiënter

Het Amsterdamse TouchWind ontwikkelt een compleet nieuw ontwerp voor een drijvende windturbine. Deze turbine maakt gebruik van een rotor uit één deel die schuin op de wind is geplaatst. Het innovatieve ontwerp verlaagt de kosten van de turbine zonder de opbrengst in gevaar te brengen. Bovendien is het onderhoud eenvoudiger en kunnen turbines dichter op elkaar in een windpark worden geplaatst, aldus TouchWind’s General Manager en medeoprichter Mark Goossens.

Topsector Energie ging in gesprek

Voor welk probleem hebben jullie een oplossing gevonden?

“De huidige generatie windturbines hebben een rotor met pitch control op elk blad. Die regelt het toerental van de rotor om de energieopbrengst te maximaliseren. Om overbelasting van de generator te voorkomen, wordt de turbine uitgeschakeld bij windsnelheden boven 25 m/s. Pitch control is een kostbaar en complex systeem met veel componenten. Daarnaast hebben traditionele rotoren de neiging de drijvende constructie te destabiliseren. Om de stabiliteit te garanderen heb je enorme drijvers nodig, wat resulteert in een hoge LCoE.”

Wat is de kern van jullie oplossing?

“Onze rotor bestaat uit één constructiedeel en staat schuin op de wind: hoe hoger de windsnelheid, hoe horizontaler de rotor en dus, hoe kleiner het geprojecteerd rotoroppervlak. Op die manier regelen we het toerental van de rotor. Constructief gesproken is dat een stuk minder complex, maar het brengt nieuwe problemen met zich mee. Want hoe voorkom je dat de rotor afbreekt door de asymmetrische belasting op de rotoras? Dat hebben we mechanisch weten op te lossen door de rotor op een slimme manier met de as te verbinden.

De rotor is ontworpen om grote wervels op te wekken. Normaal gesproken beïnvloedt het energiearme zog van een rotor sterk de andere windturbines die benedenwinds staan. Met ons rotorontwerp mengen de rotorvlakwervels achter de rotor de energiearme en energierijke lucht. Daarmee gebruiken we in feite meer lucht: ook lucht die niet door het oppervlak van de rotor stroomt.

We hebben de stabiliteit van de windturbine vergroot door de rotor een kwartslag te draaien. Daardoor staat deze bijna loodrecht (± 80⁰) op de mast. Ongeacht de windrichting trekt de rotor altijd in de lengterichting van de mast, waardoor deze zichzelf stabiliseert. Hoe harder de wind, hoe harder de rotor de turbine omhoog trekt en het systeem stabiliseert.”

Wat is er zo baanbrekend aan jullie innovatie?

“Het complete principe is uniek. Als je een rotor schuin op de wind zet, verwacht je dat deze minder wind vangt en daarmee de energieopbrengst vermindert. Volgens de wet van Betz is dit waar omdat het doorstromend rotoroppervlak kleiner wordt. Het is ons echter gelukt de rotor te kantelen zonder de opbrengst in gevaar te brengen: we maken namelijk gebruik van grote wervels. Bovendien is de stabilisatiemethode baanbrekend. De rotor staat (min of meer) loodrecht op de mast en trekt naar boven. Dus zolang je ervoor zorgt dat het systeem niet uit het water ‘vliegt’, stabiliseert de rotor het drijvend systeem.”

Wat levert jullie systeem op?

“Onze windturbine is kostenefficiënt omdat de constructie relatief eenvoudig is. De rotor bestaat uit één deel; er is geen pitch controle per vleugel vereist. Aerodynamisch is dat zeer complex, maar structureel vrij rechttoe rechtaan. De onderhoudskosten zijn laag doordat er minder componenten zijn en de turbine naar het wateroppervlak kan worden gekanteld. Bovendien kunnen onze turbines dichter bij elkaar worden geplaatst. Ze kunnen naar schatting 1,5 tot 2 keer dichter op elkaar (t.o.v. conventionele turbines) worden geplaatst. Dat geldt In twee richtingen en resulteert dus in een kwadratische groei van turbines per vierkante kilometer. Bovendien kunnen ze bij hogere windsnelheden gewoon doordraaien. Onze windturbine wekt dus niet alleen meer, maar ook vaker elektriciteit op. En tot slot kan de turbine in de haven worden gemonteerd. Dit maakt de installatie op zee veel eenvoudiger en vermindert daardoor de CAPEX. ”

Met welke uitdagingen hebben jullie te maken?

“Het is een compleet nieuwe technologie die integraal moet worden ontworpen. Alle aspecten beïnvloeden elkaar, dus het hydrodynamische en aerodynamische gedrag zal in één wiskundig model moeten worden berekend. Daarnaast gaat het om grote investeringen. We werken samen met grote partners, maar we zijn een nieuwe en relatief kleine speler. De (drijvende) offshore windmarkt kenmerkt zich door een beperkt aantal dominante spelers met enorme belangen. Dus naast de technologie is onze uitdaging: hoe breng je met succes een volledig nieuwe technologie op de markt?”

Waar staan jullie nu?

“We hebben een consortium gevormd met twee kennisinstellingen (TU Delft en Marin) en drie industriële partijen (VDL, Nidec en We4ce). Het consortium heeft van RVO een subsidie ​​ontvangen zodat we de komende drie jaar kunnen blijven werken aan het ontwerp. We hebben het dynamische gedrag van het systeem gesimuleerd en in de windtunnel onderzoeksmodellen getest. De metingen bevestigen grotendeels onze theorieën over wervelingen en energieproductie. De windturbine draait stabiel in een schuine positie en levert in deze positie meer energie op dan in verticale (conventionele) positie.

Wat zijn jullie volgende stappen?

“De onderzoeksmodellen hebben een rotordiameter van 1,20 meter. Dat is het maximum voor deze windtunnel. Daarom willen we het volgende model van 6 meter buiten testen. In 2022 gaan we enkele modellen testen met een diameter van ± 30 meter, waarbij we ons richten op de effecten van windparken. We weten al dat ze dichter op elkaar kunnen worden plaatsen dan traditionele turbines, en we willen onderzoeken hoe dicht op elkaar dat kan zijn voor een maximale energieopbrengst.”

 Wat hebben jullie aan Offshore Wind Innovators en TKI Offshore Wind?

“Zonder Offshore Wind Innovators was het veel moeilijker geweest om dit consortium te vormen. Hun netwerk heeft ons geholpen kennis over de markt op te doen. Innovatiemanager Martin Weissmann brengt partijen bij elkaar en dat doet hij fantastisch. Daarnaast kunnen we goed sparren over de juiste strategie. Ook de netwerkbijeenkomsten van TKI Wind op Zee zijn een zeer prettige manier om in contact te komen met andere partijen.”

Bron: Topsector Energie ism Offshore Wind Innovators