Vind- og bølgekraft på én plattform?

av Erin Bachynski, Stipendiat ved Centre for Ships and Ocean Structures, NTNU

Det har vært en del satsing på flytende vindturbiner til havs og på mange forskjellige bølgekraftkonsepter, men begge deler er dyre måter å lage strøm på. Det koster mye å bygge en plattform – som må takle store bølger og sterk vind – langt til havs og forbinde den med kysten for å kunne bruke strømmen. Forskere undersøker derfor om det kan det bli lønnsomt å sette vindturbiner og bølgekraftverk på samme plattform.

En ting er klart: Det mer enn er nok vindenergi og bølgeenergi i havet til å kunne lage mye strøm. Men hva slags fordeler er det ved å sette flere typer kraftverk på samme plattform? Hva er fordelen med å bygge en stor plattform med en vindturbin og tre bølgekraftverk sammenlignet med å bygge en mindre plattform med bare en vindturbin? Og hvordan skal den utformes og analyseres?

Figur 1: Spar-Torus-Combination (STC). Figur fra Made Muliawan.

Mulige synergieffekter  

Blant de mulige synergieffektene med å sette vindkraftverk og bølgekraftverk på samme plattform er det først og fremst infrastruktur som blir gjenbrukt: Man trenger bare én plattform, ett forankringssystem og én strømkobling der man ellers ville ha brukt to. I noen tilfeller kan flere bølgekraftverk på samme plattform også dele annet utstyr (flere bevegelige deler kan kobles til én hydraulisk akkumulator, for eksempel). Selv om plattformen må være litt større og forankringssystemet sterkere, kan strømproduksjonen øke mer enn kostnadene.

Bølgekraftverk kan også bidra til å dempe plattformbevegelser. Denne effekten er kanskje det som er mest interessant for meg, som hovedsakelig forsker på flytende vindturbiner. For å ta ut energi fra bølgene må det være demping, og denne dempingen kan minske plattformbevegelser. Mindre bevegelser betyr mindre belastning på strukturen (husk at det er en tung vindturbinrotor på toppen!), og mindre belasting i det lange løp betyr mindre stålbruk, lengre levetid og lavere kostnader.

Vind og bølger kommer ikke alltid samtidig. Det fører til en annen mulig synergieffekt: Man kan få jevnere strømproduksjon fra noen havsteder ved å kombinere vindkraft og bølgekraft.

Utforming og eksisterende konsepter

Det finnes mange forskjellige plattformer for flytende vindturbiner og enda flere forskjellige bølgekraftverkkonsepter. Derfor er det veldig mange muligheter når man begynner å tenke på kombinerte konsepter!

Utviklingen av bølgekraftverk ligger litt bak utviklingen av vindkraft når det gjelder størrelse og erfaring. Mange vindturbiner har en kapasitet på 2 – 5 MW, mens mange bølgekraftverkkonsepter ligger rundt 50 – 200 kW. For å skape litt balanse mellom de to kildene, slik at det skal kunne forsvares å kombinere dem, er det ofte flere bølgekraftenheter og én vindturbin.

På grunn av mekaniske begrensninger passer noen typer bølgekraftverk bedre til visse plattformer. Selv om mange konsepter som tar utgangspunkt i bølgekraftverk eksisterer[1][2], skal jeg fokusere på konsepter som er bygget på vindturbinplattformer, siden jeg er best kjent med dem.

En spar-plattform, for eksempel, består av en dyp og relativt slank søyle som kan bære en vindturbin på toppen. Statoils Hywind-plattform[3] er et kjent eksempel. Forskere på CeSOS/NTNU har utviklet et konsept (Figur 1) for å sette en flytende bøye (TORUS) rundt søylen (SPAR), slik at bøyens bevegelser opp og ned med bølgene kan brukes til å generere strøm[4]. Ifølge numeriske analyser kan demping fra bøyen føre til 6 % mer vindkraftproduksjon i lave vindhastigheter – en betydelig økning!

Et annet konsept stammer fra Principle Power i USA. En halvt nedsenkbar plattform med tre store, men korte, søyler har vært utviklet til å bære en vindturbin på én av søylene (Figur 2). Da er det plass rundt de andre søylene, som kan brukes til bølgekraftverk. Bassengforsøk med flere forskjellige typer bølgekraftverk ble gjennomført[5] (Figur 3). Både bassengforsøk og numeriske analyser viste at bølgekraftverk kan føre til mindre bevegelser i plattformen, men numeriske analyser fanget ikke opp alle effektene.

Figur 2: WindWaveFloat (Bølgekraftverk vises i oransje). Gjengitt med tillatelse fra Principle Power.

Figur 3: WindWaveFloat bassengforsøksmodell med forskjellige typer bølgekraftverk: 1) en sfærisk bøye, 2) svigende vannsøyler, 3) klaffer. Gjengitt med tillatelse fra Principle Power.

Et tredje konsept er en strekkstagplattform (TLP) med tre bølgekraftbøyer (Figur 4). Strekkstagplattformer, som har mer oppdrift enn tyngdekraft, er veldig stive sammenlignet med de andre plattformene beskrevet her. Til tross for at bevegelsene er små, er demping enda viktigere for TLP-er: Bare en liten bevegelse fører til en stor forandring i belastning av forankringssystemet, som er en av de mest kritiske delene når det gjelder plattformens levetid. Numeriske analyser av et kombinert konsept tyder på at bølgekraftverk kan redusere belastningsvariasjoner i vanlige tilfeller, men bølgekraftverk fører til større belastning under stormer[6].

Figur 4: Strekkstagplattform med bølgekraftbøyer.

Utvikling

I tillegg til økonomiske spørsmål står to store utfordringer foran utviklerne av kombinerte plattformer: analysemetoder og utforming for ekstreme tilfeller.

For å bekrefte egenskapene til et konsept trenger man både numeriske analyser, bassengforsøk og prototyper ute i havet. For at det skal være effektivt å utvikle et konsept, trenger man gode numeriske verktøy. Verktøyene må kunne modellere aerodynamisk og hydrodynamisk last, reguleringssystemer i både vind- og bølgekraftverk, og strukturelle egenskaper av alt fra plattformen, forankringssystemet, vindturbinbladene og bølgekraftverkmaskineriet. Sammenlignet med verktøy som eksisterer for flytende vindturbiner, er det behov for bedre hydrodynamiske metoder som kan fange samspillet mellom plattformen og bølgekraftverket og bedre strukturelle modeller for maskinerideler som demper og stopper bevegelsene. I tillegg må verktøyet kunne kjøres relativt raskt, slik at man kan svare på spørsmålene om hvordan konseptet oppfører seg i all slags bølger og vind. Det er mye forskning for å utvikle både kompliserte og forenklede modeller.

Når det gjelder utforming for storm og ekstreme tilfeller, trenger vi kreative måter å feste bølgekraftverk i storm, slik at de store bølgene ikke påvirker hele plattformen. I motsetning til de fleste havkonstruksjonene er bølgekraftenheter laget for å reagere så mye som mulig til bølgene. Men når bølgene blir for store, er det bedre å slutte med strømproduksjonen og ”gjemme” maskinen ned for å få minst mulig belastning. Slike festesystemer bør være så enkle som mulig – hvis systemet ikke overlever stormer, får man aldri strøm fra det.

Jeg forventer at de tekniske utfordringene kan bli løst i løpet av noen år, men det krever fortsatt mer forskning! Og det blir spennende å se om kombinerte konsepter kan bidra til morgendagens energiløsninger.

---

[1] http://www.floatingpowerplant.com/

[2] http://www.pelagicpower.no/

[3] http://www.statoil.com/no/TechnologyInnovation/NewEnergy/RenewablePowerProduction/Offshore/Hywind/Pages/HywindPuttingWindPowerToTheTest.aspx

[4] M.J. Muliawan, M. Karimirad, T. Moan. Dynamic response and power performance of a combined Spar-type floating wind turbine and coaxial floating wave energy converter. Renewable Energy 50(2013) 47-57.

[5] A. Peiffer and D. Roddier. Design of an Oscillating Wave Surge Converter on the WindFloat* Structure. 4^th International Conference on Ocean Energy, 17 October 2012, Dublin.

[6] E.E. Bachynski and T. Moan. Point absorber design for a combined wind and wave energy converter on a tension-leg support structure. Proceedings of the 32^nd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering. OMAE2013-10429. June 2013, Nantes, France.