Modeller av havvind

Skrevet av Lene Vien Eliassen og Erin Elizabeth Bachynski

Satsingen på flytende vindturbiner i Norge øker, men hvordan kan vi være sikre på at en vindturbin holder i 25 år? For å bygge parker som kan produsere grønn energi fremover, behøver vi mer kunnskap om vinden til havs.

Vi modellerer vindturbinene for å være sikre på at de holder det de lover, og tar ofte utgangspunkt i standarder som gir anbefalinger om hvordan dette skal gjøres. En modell skal gi laster tilsvarende det en offshore vindturbin opplever i det virkelige liv, men bruker forenklinger slik at utregningstiden ikke blir for lang. Det hadde for eksempel vært en lang og kjedelig designprosess om det tok ett år å regne på lastene. Hvis lastene blir for store må vi endre på designet, og hvis en av lastene er små, kan vi vurdere å fjerne materialer og redusere kostnader.

Krefter fra bølger, strøm og vind

En vindturbin til havs blir utsatt for krefter fra både bølger, strøm og vind. For å regne ut levetiden til vindturbinen kan vi bruke ulike simuleringsprogram (for eksempel SIMA som er utviklet i SINTEF Ocean) hvor vi legger inn både vind, bølger og strøm, som vist på figuren under.

På forhånd lager vi en «boks» med vind i et eget simuleringsprogram. Det finnes ulike måter å lage denne boksen på, som kan gi store forskjeller i levetiden til noen av komponentene hos vindturbinen. Hvis vi studerer vinden i de ulike punktene, er middelvinden og frekvensen like, uansett hvilken metode vi bruker for å skape vindboksen. Forskjellen mellom vindboksene er hvordan vindhastigheten i et punkt varierer i forhold til andre punkt i samme boks.

Ulike simuleringsprogrammer, ulike resultater

Vinden vil variere i styrke over arealet som dekker vindturbinen, noe som fører til at noen områder får mer vind enn andre, som igjen vil få konsekvens for hvordan vindturbinen beveger seg. Dette kan sammenlignes med å dytte en bil opp av grøfta; vi får mest kraft dersom alle dytter sammen. I figuren under vises vindhastigheten ved tre ulike posisjoner, og fargene er vist i figuren over. Linjene som er røde og grønne ligger nært hverandre, mens den blå linjen viser et punkt lengre unna.

I dag finnes det to ulike måter å lage disse vindboksene på, begge er like vanlige. Vi bruker enten et program som heter TurbSim (ref. 2), som er utviklet i USA, eller et program som heter Mann turbulens generator (ref. 3), som er utviklet i Danmark. Begge programmene er anerkjente og følger framgangsmåter i standarder.

Hvordan beveger vindturbinen seg?

Når du skal finne bevegelsen til vindturbinen, får du ulike resultater avhengig av hvilket program du velger. For en flytende vindturbin av den typen som for eksempel Hywind er, kan du risikere å få 30-40 % endring i bevegelsen rundt tårnets egen akse (giring). Dette vil, naturlig nok, ha konsekvenser for levetiden til deler av vindturbinen. For eksempel er forankringssystemet, som skal holde vindturbinen på plass, spesielt følsom for vindturbinmodellen. Hvilken måte som fungerer best, er ingen enkel sak å svare på siden vi har for få målinger av vind til havs.

Vi kunne anbefalt den vindmodellen som ga lengst levetid og som var mest konservativ, men det er også det dyreste alternativet og vi behøver å redusere kostnadene innenfor offshore vindenergi. I tillegg vil ikke den samme vindmodellen være konservativ for alle plattformer og vindturbiner. Modellen som ga høyest laster for vindturbinen som ligner på Hywind, ga minst laster for en som ligner mer på WindFloat. Begge modellene av de flytende vindturbinene er vist på bildet under.

Kampen om det grønne skiftet til havs

Som nevnt innledningsvis, må vi bygge på kunnskapen vår for å kunne skape parker som kan produsere grønn energi i 25 år. Vi må måle vindhastighetene vi har offshore, på samme måte som vi over lengre tid har målt bølger i Nordsjøen. For å beregne vindturbinens bevegelse, og for å kunne vite hva som er viktig å ta hensyn til i vindmålingene, må vi i tillegg gjøre simuleringer.
Når dette er i boks, vil norsk industri være en viktig aktør i kampen om det grønne skiftet til havs.

Referanser
1. Bachynski, Erin E., and Lene Eliassen. «The effects of coherent structures on the global response of floating offshore wind turbines.» Wind Energy 22.2 (2019): 219-238.
2. Jonkman, Bonnie J., and Marshall L. Buhl Jr. TurbSim user’s guide. No. NREL/TP-500-39797. National Renewable Energy Lab. (NREL), Golden, CO (United States), 2006.
3. DTU Wind Energy Mann 64bit turbulence generator Available at: http://www.hawc2.dk/download/pre-processing-tools (Accessed 09.04.2020)