Drones beschermen windturbines tegen ijs

Vochtige, koude omstandigheden zijn de vijand van windenergie. Als er zich een laag ijs op de rotorbladen vormt, kan dit leiden tot onbalans in de rotatie en dus tot verhoogde slijtage. In dergelijke gevallen moeten de turbines vaak enkele dagen worden stilgelegd, wat leidt tot enorme verliezen voor de exploitanten. Nu is een Fraunhofer-team er voor het eerst in geslaagd om drones te gebruiken om rotorbladen tegen ijs te beschermen. Het project kreeg de naam: “TURBO – Tijdelijke coating met behulp van drones”.

Tot nu toe moesten exploitanten die hun windturbines tegen ijs wilden beschermen diep in de buidel tasten. Verwarmingsmatten die in de bladen kunnen worden geïntegreerd zijn extreem duur. Ook aan systemen om warme lucht in de rotoren te pompen hangt een hoog prijskaartje. En het gebruik van helikopters om ontdooimiddel op de turbines te sproeien is eveneens prijzig. “Drones die alleen worden gebruikt wanneer dat nodig is, bieden een kosteneffectief alternatief”, zegt Andreas Stake, projectmanager bij Fraunhofer IFAM.

Voorwaarden

Maar om drones te kunnen gebruiken om ijs te voorkomen, moet aan een aantal voorwaarden worden voldaan. De coatingmaterialen moeten niet alleen milieuvriendelijk zijn. Ze moeten ook een goede hechting hebben en voldoende duurzaam zijn. Het is belangrijk dat ze wekenlang op de rotors blijven zitten en ze beschermen tegen ijs. Het gebruikte spuitsysteem moet bovendien zeer nauwkeurig zijn, maar tegelijkertijd licht van gewicht. En tot slot moeten de drones een hoog laadvermogen hebben. En een zeer nauwkeurige besturing mogelijk maken.

TURBO

De Fraunhofer onderzoekers die aan het TURBO project werken zijn erin geslaagd een prototype te ontwikkelen dat aan al deze eisen voldoet. Het coatingmateriaal dat is ontworpen door de wetenschappers van Fraunhofer IFAM in Bremen is gemaakt van ureum en was. Het is milieuvriendelijk en heeft een goede hechting. Dit materiaal kan snel en eenvoudig worden aangebracht met een spraytechniek en droogt ook snel. De coating werd getest in een ijskamer in het instituut. Dit doen de onderzoekers om te bevestigen dat het betrouwbaar beschermt tegen vorstvorming.

Coating aanbrengen

Het team van Fraunhofer IPA bouwde de apparatuur om de coating aan te brengen. Het bestaat uit een kleine pomp die het vloeibare ureum/wasmengsel onder hoge druk in een lange, dunne lans perst. Aan het uiteinde zit een spuitmond met een diameter van slechts 0,3 millimeter. Dit luchtloze pompsysteem is in staat om druppels te produceren met een diameter van 100 micrometer. Zelfs bij windsnelheden van 35 kilometer per uur kunnen deze druppeltjes nog precies op de randen van de rotorbladen worden gespoten. Daar zullen ze vervolgens stollen. De randen zijn vooral belangrijk omdat hier het ijsvormingproces begint wanneer natte, koude lucht de turbine raakt.

Succes verzekerd met simulaties

Dr. Oliver Tiedje, projectmanager bij Fraunhofer IPA, en zijn team bepaalden de technische parameters met behulp van vloeistofdynamische simulaties. Denk daarbij aan de vereiste druk, een efficiënte verstuivingsmethode en de optimale druppelgrootte. “Onze decennialange ervaring in het modelleren van coatingprocessen heeft ons echt geholpen. We konden putten uit deze expertise,” zegt de fysicus. “We moesten echter wel de procesparameters aanpassen aan de complexe geometrie van de windturbines.”

Samenwerken met industrie

De onderzoekers willen nu samenwerken met partners uit de industrie. Dit willen ze doen om de techniek verder te ontwikkelen en klaar te maken voor serieproductie. Er zijn talloze toepassingen waarbij drones van nut kunnen zijn om coatings aan te brengen. Denk daarbij niet alleen aan ijsbescherming voor windturbines. De inzet kan ook handig zijn bij bovenleidingen in het spoorvervoer of tijdens het opknappen van gebouwen. Bijvoorbeeld het repareren van defecten in pleisterwerk op delen van gebouwen die moeilijk bereikbaar zijn.

Steun

Het project “TURBO: Tijdelijk coaten met behulp van drones” werd gesteund door 19 bedrijven. Dit zijn fabrikanten van coatings en grondstoffen, fabrikanten van coatingapparatuur en drones, en exploitanten van windturbines. Het project werd ingediend bij de Duitse federatie van industriële onderzoeksverenigingen (AiF). Het wordt gefinancierd door het federale ministerie voor Economische Zaken en Klimaatactie.

Bron: Fraunhofer
Openingsfoto: Simulatie van coating door middel van drone onder invloed van wind (foto: Fraunhofer IPA)

Lees ook: Effectiviteit zwarte wiek testen met sensoren, camera’s en radar

Eerste recyclebare wieken geïnstalleerd in Duits windpark

De eerste windturbine met de RecyclableBlades van Siemens Gamesa is geïnstalleerd. De recyclebare wieken zijn geplaatst als onderdeel van het Kaskasi windpark van RWE in Duitsland. Dit park ligt 35 kilometer ten noorden van het eiland Heligoland in de Duitse Noordzee.

RecyclableBlades zijn de eerste recyclebare wieken voor windturbines voor commercieel gebruik offshore ter wereld. De wieken kunnen na hun levensduur worden gescheiden in verschillende materialen. Dit maakt recycling van de materialen in nieuwe toepassingen mogelijk en vergroot de duurzaamheid van windturbines.

Windcirculariteit

De wieken zijn een jaar geleden door Siemens aangekondigd. “De tijd om de klimaatnoodsituatie aan te pakken is nu, en we moeten dit op een holistische wijze doen. In het pionieren van windcirculariteit – waar elementen bijdragen aan een circulaire economie voor de windindustrie – hebben we een belangrijke mijlpaal bereikt in een gemeenschap die zorg voor de omgeving centraal plaatst. De RecyclableBlades zijn een volgend tastbaar voorbeeld van hoe Siemens Gamesa de technologische ontwikkeling in de windindustrie leidt”, zei Andreas Nauen, CEO van Siemens Gamesa, bij de introductie van de circulaire wieken.

Recycling is al langer een belangrijk onderwerp bij de ontwikkeling van windturbines. Zo zijn onder meer de toren en de motorgondel van turbines in veel gevallen (deels) recyclebaar. De composietmaterialen die in de wieken van windturbines zijn verwerkt waren echter moeilijker herbruikbaar. Met de RecyclableBlades wil Siemens Gamesa hierin verandering brengen. Het bedrijf ziet de wieken als een belangrijke stap richting een toekomst waar volledig recyclebaarheid van projecten een marktvereiste is. Het bedrijf stelt zichzelf als doel in 2040 volledig recyclebare windturbines te bouwen.

Verwerkt tot koffers of televisies

Het bedrijf kondigde bij de lancering al aan samen met RWE de eerste windturbines met recyclebare wieken te gaan installeren bij het Kaskasi project. De wieken bestaan uit een combinatie van materialen die verwerkt zijn in een hars voor het creëren van een sterke, stijve structuur. Bij de RecyclableBlades kunnen de hars, koolstofvezel, hout en andere materialen van elkaar worden gescheiden met behulp van een mild zure oplossing. Deze materialen zijn vervolgens herbruikbaar in de circulaire economie. Zo kunnen partijen het materiaal verwerken tot nieuwe koffers of televisies, zonder dat hiervoor nieuwe grondstoffen nodig zijn.

Sven Utermöhlen, CEO Wind Offshore, RWE Renewables: “Dat we in ons offshore windpark Kaskasi ’s werelds eerste recyclebare windturbinebladen onder operationele omstandigheden testen, is een belangrijke stap voor het naar een hoger niveau tillen van de duurzaamheid van windturbines. De eerste turbine die is uitgerust met Siemens Gamesa’s RecyclableBlades wekt elektriciteit op. De uitbreiding van hernieuwbare energiebronnen moet resoluut worden gestimuleerd. Snellere offshore-uitbreiding is vooral belangrijk om tegelijkertijd klimaatdoelstellingen te halen en meer energiesoevereiniteit te creëren. Wij van RWE willen hieraan bijdragen en de ingebruikname van de eerste turbine van ons Kaskasi offshore windpark is een duidelijk teken van deze intentie.”

81 meter lang

Op termijn wil RWE in zijn Kaskasi windpark meerdere turbines uitrusten met de B81 RecyclableBlades. B81 staat hierbij voor de lengte van de wieken, die 81 meter lang zijn. Het windpark bestaat op termijn uit 38 SG 8.0-167 DD windturbines, die samen 342 MW aan duurzame energie opwekken. Deze stroom levert RWE aan 400.000 Duitse huishoudens.

De RecyclableBlade-technologie is ook beschikbaar voor de 108 meter lange B108-bladen van de SG 14-222 DD offshore-windturbines en de 115 meter lange B115-bladen voor SG 14-236 DD-turbines.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Foto: Pixabay / Steppinstars