Vær og vind er både fiende og venn for vindmøller til havs. Nøyaktige målinger og simuleringer av vinden kan hjelpe utbyggerne å hente verdifulle ekstra watt ut av turbinene. Dette er den første flytende forsøksvindmøllen Hywind. Den ble anlagt utenfor Karmøy i Rogaland av Statoil i 2009. Høsten 2015 besluttet Statoil å bygge flere slike i verdens første flytende vindpark – Hywind pilotpark utenfor kysten av Petershead i Aberdeenshire, Skottland. (Foto: Helge Hansen/Statoil)
Vær og vind er både fiende og venn for vindmøller til havs. Nøyaktige målinger og simuleringer av vinden kan hjelpe utbyggerne å hente verdifulle ekstra watt ut av turbinene. Dette er den første flytende forsøksvindmøllen Hywind. Den ble anlagt utenfor Karmøy i Rogaland av Statoil i 2009. Høsten 2015 besluttet Statoil å bygge flere slike i verdens første flytende vindpark – Hywind pilotpark utenfor kysten av Petershead i Aberdeenshire, Skottland. (Foto: Helge Hansen/Statoil)

Slik kan vinden temmes til havs

Flatt hav og jevn vind ­–perfekt for vindkraft? Virkeligheten er annerledes.

Published

Alle har en drøm. Vindkraftutbyggerens er omtrent slik: Langt til havs, fjernt fra fjell og fallvinder, synger kulingen monotont i rotorbladene.

Men bølger? Neida, det er mirakuløst havblikk.

Et nyforelsket ørnepar seiler inn i vindparken. Galant gjør ørnefar en trygg herresving rundt de roterende knivene. Hans make følger kokett, klar for sitt første verp i redets lune ro.

Og vindturbinene er havets musketerer – en for alle, alle for en. De står i tett klynge. Ledninger har kort vei å gå til trafoen og wattmeteret. Det stanger mot maks. Produksjonen er på topp. Kronasjen strømmer inn.

Så våkner vindkraftutbyggeren, badet i svette. Det var bare en drøm. Virkelighetens mareritt tar over.

Vindkraften bør ta en Kjos

– Vindkraftindustrien har små marginer. Den driver på grensen av lønnsomhet. Slik sett ligner den på flyindustrien, sier Yngve Heggelund.

Han er en av forskerne ved Christian Michelsen Research (CMR) i Bergen som tar vindkraftutbyggerens våkne mareritt på alvor. Og sammenligningen med flyindustrien er ikke tilfeldig.

– Flyindustrien er godt utviklet. I vindkraftindustrien er det fortsatt mye prøving og feiling, sier Heggelund.

Med andre ord: Der Bjørn Kjos kan presse marginer og kutte kostnader med siste generasjon Boeing, der har vindkraftindustrien fortsatt mye å hente.

Vindmøller – eller vindturbiner, som er et mer riktig navn, siden de ikke lenger maler mel som før i Holland, men derimot lager strøm – har vært i kraftig utvikling siden 1970-tallet. Da førte kjernekraftprotester i Danmark til at større vindturbiner ble laget. Nå produseres stadig større vindturbiner for bruk til havs. Den største produsenten av vindturbiner er det danske selskapet Vestas, som også produserer den største modellen, 220 meter høy og med en effekt på 8 millioner watt. Også produsenter fra blant annet Tyskland, USA, Spania, India og Kina konkurrerer i et voksende marked. Kina produserer overlegent mest vindkraft av alle nasjoner, nesten 115 milliarder watt i 2014. (Foto: Vestas Wind Systems A/S)
Vindmøller – eller vindturbiner, som er et mer riktig navn, siden de ikke lenger maler mel som før i Holland, men derimot lager strøm – har vært i kraftig utvikling siden 1970-tallet. Da førte kjernekraftprotester i Danmark til at større vindturbiner ble laget. Nå produseres stadig større vindturbiner for bruk til havs. Den største produsenten av vindturbiner er det danske selskapet Vestas, som også produserer den største modellen, 220 meter høy og med en effekt på 8 millioner watt. Også produsenter fra blant annet Tyskland, USA, Spania, India og Kina konkurrerer i et voksende marked. Kina produserer overlegent mest vindkraft av alle nasjoner, nesten 115 milliarder watt i 2014. (Foto: Vestas Wind Systems A/S)

Jakten på den gode vinden

– Hvis vi kan klare å hente ut to til tre ekstra prosent effekt, så er det mye penger over tjue års levetid for vindparken, sier Heggelund.

Men stopp litt. Sammenligningen halter også. Det er ikke vindturbinene i seg selv som er utdaterte. Rotorbladene skjærer like effektivt gjennom lufta som vingene på de nyeste passasjerflyene.

Det som trengs, er et bedre svar på et viktig spørsmål: Hvor skal vindmøllene stå? Hvor virker vinden best?

Spørsmålet ser enkelt ut. Svaret er desto mer innfløkt. Like fullt samarbeider Heggelund og venner på CMR med andre forskere for å finne et svar. Eller rettere sagt – flere svar.

Alpha Ventus

Svarene finnes et sted der ute i den tøffe virkeligheten. I Nordsjøen utenfor Skottland, der Statoil igjen satser på vindturbiner til havs i sitt Hywind-prosjekt. Eller i vindparken Alpha Ventus.

Vi starter her. Alpha Ventus, tolv turbiner forankret på 30 meters dyp, 45 kilometer til havs, godt under synsranda til kystfolket i Nord-Tyskland.

Dette er Tysklands første offshore vindfarm. Like ved står forsøksmasten FINO1. Her bidrar CMR med målinger av det mest grunnleggende for ethvert vindkraftanlegg – vinden. Hva skjer i lufta omkring rotorene?

I forgrunnen: Forsøksplattformen FINO1, der målinger av vind, temperatur og luftfuktighet skal gi bedre kunnskap om hvor det er best å plassere vindmøller til havs. I bakgrunnen: Vindmøller i Tysklands første vindmøllepark til havs, Alpha Ventus. Den stod ferdig i 2009, og ligger i Nordsjøen, 45 kilometer nord for øya Borkum ved grensa mellom Nederland og Nord-Tyskland. (Foto: Benny Svardal, Christian Michelsen Research)
I forgrunnen: Forsøksplattformen FINO1, der målinger av vind, temperatur og luftfuktighet skal gi bedre kunnskap om hvor det er best å plassere vindmøller til havs. I bakgrunnen: Vindmøller i Tysklands første vindmøllepark til havs, Alpha Ventus. Den stod ferdig i 2009, og ligger i Nordsjøen, 45 kilometer nord for øya Borkum ved grensa mellom Nederland og Nord-Tyskland. (Foto: Benny Svardal, Christian Michelsen Research)

Ikke bare kuling

Tilbake til de søte drømmene: Det beste hadde vært jevn vind med fast styrke.

– En typisk vindturbin fungerer best hvis vindstyrken er rundt 12–14 meter i sekundet, sier Annette Stephansen fra CMR. Det er liten til stiv kuling.

Benny Svardal fra CMR og Joachim Reuder fra Universitetet i Bergen har gjort målinger på FINO1 i regi av forskningssenteret for offshore vindkraft, NORCOWE.

Og det er ganske klart: Det blåser ikke alltid kuling der ute. Noen ganger er det vindstille, og vindmøllene stopper. Andre ganger er det full storm, og vindmøllene stopper også. Eller – de blir stoppet. Hadde de fått lov til å gå rundt, ville de gått i stykker.

Mellom disse ytterpunktene, fra lett bris til liten storm, gir rotorene fart til dynamoen så den lager mer strøm jo mer det blåser. Og strømkurven stiger bratt.

– Selv små variasjoner i vindhastigheten gir store utslag for energiproduksjonen, sier Stephansen.

Farvel, vindpropell

Med andre ord: Vind er penger. Så hvordan måler forskerne vinden her ute? Hvis du har sett en værstasjon, har du kanskje lagt merke til vindpropellen med skovler som snurrer hektisk i vindrossene.

Men vindpropellen – eller anemometeret, som meteorologene kaller den – har sine svakheter. Den måler bare vinden akkurat der den er.

Og det er vinden oppe ved rotoren som teller. Anemometeret kan ikke stå på bakken. Det må opp i høyden, i toppen av en mast.

På store vindmøller til havs kan rotorbladene rage over 150 meter til værs.  Målemaster er sjelden mer enn 100 meter høye. Hvordan kan vindmåleren komme høyt nok?

Lysradaren

Vindballonger og droner kan stige videre opp, men blir borte eller må lande igjen. Forskerne trenger sammenhengende målinger. Da tyr de til lys.

Metoden er slik: Send et laserblink opp i lufta. Strålen treffer ørsmå støvkorn eller duggdråper i lufta. Litt av lyset reflekteres tilbake. Refleksen kan gi svar på viktige spørsmål.

Ett viktig spørsmål: Hvor langt unna er støvkornet? Svar: Mål tida fra laserblinket gikk opp til refleksen kom ned. Jo lengre tid, desto større avstand.

Hvor fort farer støvkornet av gårde i vinden? Svar: Mål hvordan fargen på refleksen har endret seg. Er den blåforskjøvet, så kommer støvkornet mot deg. Er den rødforskjøvet, så går støvkornet vekk fra deg.

Til sammen kan avstand og fart målt i flere retninger brukes til å beregne vinden opp til 200 meter.

Bølger og sol påvirker vinden, så den ikke alltid blåser jevnt i alle høyder. Lidar måler vinden ved å sende lysblink (hvite stiplede piler) opp i lufta. 
Blinkene reflekteres ned igjen (blå og røde stiplede linjer) av støvkorn. Tiden fra opp-blink til refleks sier noe om avstanden til støvkornet. Hvis støvkornet beveger seg mot lidaren (posisjon 1) blir bølgelengden på reflekslyset litt kortere. Det blir blåforskjøvet. 
Hvis støvkornet beveger seg vekk fra lidaren (posisjon 2) blir bølgelengden på reflekslyset litt lengre. Det blir rødforskøvet. 
Lidaren kan måle farten langs synslinjen (blå og røde heltrukne piler i trekanten) men ikke den delen av farten som er på tvers (grå piler). Til sammen kan avstand og fart langs synslinjen brukes til å beregne fart og retning på vinden. (Foto: (Illustrasjon: Arnfinn Christensen, forskning.no))
Bølger og sol påvirker vinden, så den ikke alltid blåser jevnt i alle høyder. Lidar måler vinden ved å sende lysblink (hvite stiplede piler) opp i lufta. Blinkene reflekteres ned igjen (blå og røde stiplede linjer) av støvkorn. Tiden fra opp-blink til refleks sier noe om avstanden til støvkornet. Hvis støvkornet beveger seg mot lidaren (posisjon 1) blir bølgelengden på reflekslyset litt kortere. Det blir blåforskjøvet. Hvis støvkornet beveger seg vekk fra lidaren (posisjon 2) blir bølgelengden på reflekslyset litt lengre. Det blir rødforskøvet. Lidaren kan måle farten langs synslinjen (blå og røde heltrukne piler i trekanten) men ikke den delen av farten som er på tvers (grå piler). Til sammen kan avstand og fart langs synslinjen brukes til å beregne fart og retning på vinden. (Foto: (Illustrasjon: Arnfinn Christensen, forskning.no))

Hvis du synes dette høres ut som en slags radar, bare med laserlys, så har du helt rett. Instrumentet kalles da også en lysradar, på engelsk light radar eller lidar.

Må tåle sjøsprøyt

Lidarinstrumentet på FINO1 nær Alpha Ventus er en boks, halvannen meter bred. Den kan flyttes rundt, selv om den veier noen hundre kilo. Men tåler boksen en skikkelig sjøsprøyt?

– Lidarmålinger til havs er ganske nytt. Klimaet er værhardt, og instrumentet er følsomt. Heldigvis er de nye lidarinstrumentene mer robuste, sier Stephansen.

Sol, vind og vann spiller sammen

Lidaren danker ut vindpropellen på flere måter. Den måler ikke bare hastigheten på vinden langs vannflaten. Den kan også måle loddrett vindhastighet, og vind i flere høyder. Det er viktig, når virkelighetens kaos innhenter de søte drømmene.

Slik oppstår kaoset: Sola varmer havet. Vanndamp og varm luft stiger. Vinden lager bølger. Bølgene lager virvler i vinden. Farvel, stødige vind langs havflaten.

– Feil vindprofil kan få utbyggerne til å tro at vindhastighetene er høyere enn de egentlig er oppe ved turbinene, sier Stephansen.

Overoptimistiske antagelser gir røde tall på bunnlinja. Forskerne trenger å få kontroll på dette kaoset.  Derfor måler de både bølger, temperatur og luftfuktighet med havbøyer.

Lidar på dekket av forsøksplattformen FINO1. Lidar virker omtrent som en radar, bare med lys. Den sender fra seg lyspulser, og refleksene eller radarekkoet sier noe om avstand og fart til støvpartiklene i lufta. Slik kan vindhastighet og vindretning beregnes. (Foto: Benny Svardal, Christian Michelsen Research)
Lidar på dekket av forsøksplattformen FINO1. Lidar virker omtrent som en radar, bare med lys. Den sender fra seg lyspulser, og refleksene eller radarekkoet sier noe om avstand og fart til støvpartiklene i lufta. Slik kan vindhastighet og vindretning beregnes. (Foto: Benny Svardal, Christian Michelsen Research)

Vindmøllesimulator

Alle disse målingene gir et mer sannferdig bilde av vinden. Og de gir enorme mengder data. År ut og år inn håper forskerne.

– Vi trenger å lære hvordan vi skal behandle disse enorme datamengdene, sier Stephansen.

Og hun har selv en del av løsningen. På CMR har Yngve Heggelund, Chad Jarvis, Marwan Khalil og Annette Stephansen utviklet verktøy for å tygge data så de kan svelges i fordøyelige biter. En vindmøllesimulator.

Enorm regnekraft

Å lage en modell av vinden rundt vindparken er egentlig ikke vanskelig. Det vil si – ikke vanskelig rent teoretisk.

– Teoriene er velkjente. De kalles numerisk væskedynamikk, Computational Fluid Dynamics (CFD) på engelsk, sier Yngve Heggelund. Formlene fungerer like bra på væsker og gasser.

Det er bare ett problem. Formlene krever regnekraft. Enorm regnekraft. Kombinert med like enorme mengder data fra målefeltene kan det få kaldsvetten til å piple på pannen til den mest værbitte vindforsker.

– En datakjøring kan lett ta et døgn,forteller Heggelund. Noe må gjøres. Og det har forskerne gjort.

Fart i boks

Heggelund fyrer opp vindmøllesimulatoren på kontor-PCen. Skjermen tegner en fargerik figur av åtte vindmøller, sett ovenfra. Fargene viser vindstyrken. Skalaen går fra vindstille blått gjennom grønt og gult til rød laber bris.

Bak hver mølle er en gul hale av svakere vind. Møllebladene har stjålet litt fart fra vinden og gjort den om til elektrisk strøm.

Så kommer noen svarte firkanter til syne på skjermen. Disse firkantene rommer løsningen på dataproblemet.

– Vi lager en boks rundt hver vindmølle, forklarer Heggelund. – Inni boksen har vi forhåndsberegnet løsningene, slik at de kan finnes mye raskere.






Videoen viser vindmøllesimulatoren i aksjon.

Hvordan virker denne metoden? Et grovt bilde kan gi oss et inntrykk.

Fra lugging til blått øye

Tenk deg at du møter en fyr. Du aner ikke hvordan fyren reagerer hvis du smiler, hvis du rekker tunge, hvis du lugger ham i håret. Du kjenner årsaken, men ikke virkningen.

Hvis du hadde hatt full oversikt over hver nervecelle i hjernen til fyren, kunne du teoretisk sett regnet deg fra årsak til virkning. Det ville blitt en utregning fra helvete. Men tenk deg at du gjorde det likevel.

Utregningene viser at smil gir smil; tunga gir geip; lugging gir deg en på øyet. Du har erstattet tunge utregninger med en rask tabell over årsak og virkning.

Fra timer til sekunder

Heggelund og kollegene hans har gjort noe lignende med vindmøllene. De har kjørt detaljerte CFD-beregninger for ulike vindstyrker og vindretninger.

Så har de samlet alle resultatene. Tunge utregninger er erstattet med ferdig utregnede data – en slags tabell over mange årsaker og virkninger.

Simulatoren kan slå opp i denne tabellen og gjøre raske utregninger for sammensatte årsaker og virkninger, for eksempel: Hva skjer hvis du både smiler og lugger samtidig?

Da får du svar etter sekunder, ikke etter timer og døgn. Det er viktig når vindparker skal planlegges, og de søte drømmene skal møte den røffe virkeligheten.

Forskergruppen på Christian Michelsen Research som står bak vindmøllesimulatoren. Fra venstre: Annette Stephansen, Yngve Heggelund, Benny Svardal og Chad Jarvis. (Foto: Gunn Janne Myrseth, Christian Michelsen Research)
Forskergruppen på Christian Michelsen Research som står bak vindmøllesimulatoren. Fra venstre: Annette Stephansen, Yngve Heggelund, Benny Svardal og Chad Jarvis. (Foto: Gunn Janne Myrseth, Christian Michelsen Research)

Hale bak hale

Vindparker kan nemlig ikke legges hvor som helst. Det endeløse havet er langt fra endeløst.

Noen områder er vernet for fugler. Ørnefar er ikke så forutseende som i drømmen. I andre områder skal fiskerne få arbeidsro. Marinen trenger øvingsområder. Sjøkabler må få ligge i fred.

Men når først området er valgt ut, er vel saken grei. Da er det bare å klynge sammen vindmøllene så tett som mulig for å spare kabling og annen leamikk?

Heggelund flytter noen av vindmøllene i simulatoren. Bildet oppdateres raskt. Vindskyggene bak rotorene, de gule halene, overlapper. En hale forstyrrer vinden inn til en annen mølle. Nei, vindmøllene kan ikke ligge for tett.

Bildet viser hvordan vindmølla øverst til høyre kommer i vindskyggen av vindmølla foran. Fargeskalaen til høyre viser vindstyrkene i meter per sekund. Slike effekter kan raskt regnes ut med vindsimulatoren som er under utvikling på Christian Michelsen Research. (Foto: (Figur: Yngve Heggelund, Christian Michelsen Research))
Bildet viser hvordan vindmølla øverst til høyre kommer i vindskyggen av vindmølla foran. Fargeskalaen til høyre viser vindstyrkene i meter per sekund. Slike effekter kan raskt regnes ut med vindsimulatoren som er under utvikling på Christian Michelsen Research. (Foto: (Figur: Yngve Heggelund, Christian Michelsen Research))

– Hvis du måler diameteren på rotoren, bør nærmeste nabo være sju til åtte slike diametre unna, sier Heggelund.

Vindretningen kan også skifte. Da treffer vindskyggene, de gule halene, annerledes. Dette simulerer Heggelund på et øyeblikk ved å la vindretningen være den samme, men dreie hele vindparken på skjermen.

Mye vil ha mer

Vindsimulatoren er fortsatt under utvikling. Heggelund, Stephansen og kollegene deres kontrollerer den stadig vekk mot fasit – de langsomme CFD-beregningene og målinger i laboratoriet og ute i vindparkene.

Hvordan ser så framtida ut, både for simulatoren og beregningene av vind i større skala? Vil ikke stadig økende datakraft gjøre slike forenklede modeller unødvendige? Vil ikke den dagen komme da maskinene kan kjøre CFD-beregninger også på sekunder?

– Også CFD-beregningene kan gjøres bedre og mer nøyaktige. Både modellene og datakraften parallellforskyves opp mot stadig høyere ambisjoner. Det vil alltid være behov for forenklede modeller, sier Heggelund.

Lenke:

Informasjonsside fra Christian Michelsen Research om offshore vindparker, med lenker til mer info om blant annet målingene på Alpha Ventus-feltet.