Vindmøller på havet kan knekke som fyrstikker

Mellomstore bølger kan ødelegge vindturbinene på havet. De kan knekke som fyrstikker.

Publisert
Når bølger over 13 meter slår mot vindturbiner, dukker det opp en uheldig kraft på baksiden av turbinen. Denne kraften kalles ringing. (Foto: (Illustrasjon: UiO))
Når bølger over 13 meter slår mot vindturbiner, dukker det opp en uheldig kraft på baksiden av turbinen. Denne kraften kalles ringing. (Foto: (Illustrasjon: UiO))

Mellomstore bølger kan knekke vindturbinene  på havet som fyrstikker. Slike bølger oppstår allerede i vanlig storm, og det er som kjent mange slike stormer i Norskehavet.

– Problemet er at vi ikke vet nok om når vindturbinene kan knekke, forteller professor John Grue på Matematisk institutt ved Universitetet i Oslo.

Han oppdaget allerede i 1989 et uforklarlig fenomen i bølger, som kalles for ringing. Ringing er betegnelsen på en spesiell type vibrasjon som oppstår når krappe bølger treffer installasjoner til havs.

Forskere har frem til i dag studert ringing i små og store bølger, men det viser seg at ringing først og fremst oppstår i mellomstore bølger.

For vindturbiner til havs, med en sylinderdiameter på åtte meter, er de verste bølgene over 13 meter høye og der avstanden mellom hver bølge er 11 sekunder.

Økonomisk ruin

Problemet med ringing kan bli langt større i årene som kommer. Det skal bygges titusenvis av vindturbiner på havet.

– Tar man ikke hensyn til ringing, kan vindturbinparker bli en økonomisk ruin, advarer Grue.

Dagens største vindmølleparker til havs ligger utenfor kysten av Danmark og Storbritannia. De blir likevel som små miniatyrer i forhold til Statkrafts og Statoils enorme planer på Doggerbanken utenfor Skottland.

Denne vindmølleparken skal produsere like mye strøm som 60 til 90 Altakraftverk. Utenfor Møre og Romsdal kommer en vindmøllepark med en kapasitet på to Altakraftverk.

– Det har hittil vært umulig å beregne kraften fra ringing. Laboratoriemålinger viser at den store skjelvingen i vindturbinene skjer rett etter at bølgen har passert og ikke når bølgen treffer turbinen. Rett etter at bølgetoppen har passert, kommer et nytt rykk.

– Hvis rykket treffer egenfrekvensen til vindturbinen, blir vibrasjonen sterk. Det betyr at vindturbinen først blir utsatt for en kraft, for så å ristes etterpå av nok en kraft. Når bestemte bølgetyper gjentar seg, blir slitasjen ekstra stor. Det øker faren for utmatting, sier Grue.

Det er nettopp denne sekundære kraften som lager ringing og som matematikerne frem til i dag ikke har klart å beregne.

Uheldige vibrasjoner

Alle konstruksjoner har egensvingninger, uansett om det er vindturbiner, broer, oljeboringsplattformer eller skip.

Når vibrasjonen er i takt med egenfrekvensen, kan det gå hardt for seg. Fenomenet kalles resonans og kan sammenlignes med taktfast soldatmarsj på en bro. Hvis soldatene marsjerer i takt med egenfrekvensen til broen, kan den kollapse.

NTNU og Massachusetts Institute of Technology (MIT) har allerede gjort en del beregninger på ringing. Det samme har Ecole Centrale Marseille og det franske Bureau Veritas. Det Norske Veritas er blant dem som bruker varianter av disse modellene.

– Dagens modeller er de beste man har, men anslagene er for grove og feilaktige. Teoriene brukes langt utenfor gyldighetsområdet. Da kan man ikke beregne utmattingen godt nok, sier Grue.

Ringing har ikke noe å gjøre med turbulens. Ringing inntreffer systematisk og handler om et høyhastighetsundertrykk på baksiden av sylinderen.

Matematisk besværlig

Det er gjort lite internasjonalt på dette fenomenet.

– Ringing er svært vanskelig å beregne. Usikkerheten er stor. Vi vil ha mer presise beskrivelser av fysikken i ringing. Vi prøver nå med avanserte  nivåflatemodeller og tunge beregninger å gjenskape disse målingene nøyaktig. Vi vil vise at ringingkraften opptrer systematisk etter en generell, matematisk formel.

Saga Petroleum gjennomførte i sin tid et omfattende sett med målinger av ringingkraften i bølger.

– De passer meget godt med målingene våre, forteller Grue.

Forskjell på grunt og dypt vann

– Tar man ikke hensyn til ringing, kan vindturbinparker bli en økonomisk ruin, advarer John Grue. (Foto: Yngve Vogt)
– Tar man ikke hensyn til ringing, kan vindturbinparker bli en økonomisk ruin, advarer John Grue. (Foto: Yngve Vogt)

Forskerne må også ta hensyn til om installasjonen står i grunt eller dypt vann.

– Egenfrekvensen er dessuten avhengig av bunnforholdene.

Du kan sammenligne dette med en flaggstang i storm. Flaggstenger vibrerer forskjellig avhengig av om pålen står i betong eller i mykere bunn.

– Ingen har forsket på sammenhengen mellom vibrasjon og bunnforhold, sier Grue.

Ringing er ikke bare uheldig for vindturbiner. Ringing har allerede vært et stort problem for oljenæringen. Konstruktørene av YME-plattformen tok ikke hensyn til ringing. Tapet er 12 milliarder kroner.

– Det er mulig å bygge seg ut av ringingproblemet ved å forsterke oljeplattformer. Derimot er det ikke økonomisk lønnsomt å gjøre det samme med vindturbiner, påpeker Grue.

Bedrer modellene

Sjefsspesialist Arne Nestegård i hydrodynamikk i Det Norske Veritas bekrefter at vindturbiner på moderate vanndyp kan utsettes for høyfrekvente resonanssvingninger hvis bølgene er ekstreme, men at man sikrer seg mot dette.

Nestegård forteller at Veritas de siste tjue årene har utviklet ringingmodeller og at de nå arbeider med å forbedre modellene for vindturbiner til havs.