Gejaagd door de wind, samen innoveren op zee moet windpark slimmer maken

Tekst door Marcel Burger, bedrijfsreporter, Shell Nederland

Het is een zonnige dag op het strand van Egmond aan Zee. Het zand lijkt te dansen in de duinen, in een eeuwige tango met het helmgras. Een kakofonie van geschreeuw boven het hoofd als weer een stel meeuwen voorbij suist, zwevend op de westenwind. Naast de golven die het strand raken, is 18,5 kilometer voor de kust “een ander concept” in de maak, zegt Maria Kalogera, CrossWind's Innovations Manager. De joint-venture van Shell en Eneco en partners bouwt een offshore windpark: Hollandse Kust Noord. “We vinden nieuwe manieren om de productie van offshore wind betrouwbaarder te maken, bijvoorbeeld door het toevoegen van drijvende zonnepanelen.

We willen bewijzen dat we van zee een gestage stroom elektriciteit kunnen leveren, onafhankelijk van windsterkte of -richting, en beheersbaar per dag, uur, minuut en seconde.”

Hollandse Kust Noord krijgt 69 windturbines, op een zeediepte van 15 tot 28 meter en 222,5 meter boven de golven uittorenend, inclusief de 97 meter lange rotorbladen. Deze 980 ton wegende reuzen, elk goed voor 11 MW, zijn op zichzelf al machtig. Maar vooral wat er omheen wordt bedacht gaat indruk maken: innovatieve oplossingen die heel Nederland zullen gaan helpen.

“Dit is deel van onze belofte aan de Nederlandse samenleving”, zegt Kalogera. “Ons project draait om nieuwe, innovatieve oplossingen voor het produceren van elektriciteit op zee. De resultaten ervan zullen we delen, om zo de gehele technologische ontwikkeling vooruit te helpen.”

Plan in vier delen
Dit is het plan. Ten eerste zullen de wind- turbines ‘intelligenter’ zijn dan voorheen. Nieuwe software zorgt in enkele seconden voor micro-aanpassingen van de rotors,
om zo de productie in de voortdurend veranderende windomstandigheden te kunnen optimaliseren. Dit deel wordt samen met windmolenbouwer Siemens Gamesa ontwikkeld. Ten tweede wordt in samenwerking met de Technische Universiteit Delft de beperkende factor van het zogenoemde 'wake-effect' aangepakt. Dit is een vorm van turbulentie vergelijkbaar met wat zeilboten ervaren als ze dicht bij elkaar varen en de lucht erachter ze instabiel maken. Voor windturbines in een park betekent dat minder productie.

Ten derde worden drijvende zonnepanelen toegevoegd voor een constantere stroomproductie. Daarvoor heeft TNO zich aangesloten. Het vierde deel van het plan is dat soorten opslag van elektriciteit worden getest; dus verschillende batterijen en waterstof.

Vergelijk het met een uit de kluiten gewassen powerbank voor je mobiele telefoon. Die opslag is er niet alleen om overproductie vast te houden als die niet onmiddellijk naar het elektriciteitsnet kan worden overgebracht, maar ook om zelfs op windvrije of zonloze dagen te zorgen voor levering stabiel.

Kopiëren en opschalen
“Onze gemeenschappelijke visie is om het risico op instabiliteit in de energielevering zo laag mogelijk te houden, en daarvoor brengt elke partner zijn eigen expertise in,” zegt Kalogera. “Met Hollandse Kust Noord ontwikkelen we een idee tot een eenvoudig concept. We proberen het in relatief kleine vorm uit, zodat we het later kunnen kopiëren en opschalen bij toekomstige offshore-wind- parken. We zullen onderzoeken en optimaliseren, om met de lessons learned daarna concrete stappen te zetten in het versnellen van de energietransitie.”

Omdat niets zo veranderlijk is als het weer en Nederlandse offshore wind tot 2030 volgens de plannen moet groeien naar 21GW, zijn er meer uitdagingen. Zo zijn er oplossingen nodig om het vollopen van het stroomnet te voorkomen, stelt de innovatiemanager van CrossWind.

“Simpel gezegd: als de stroomvoorziening flexibeler en evenwichtiger is, zal die in staat zijn om aan de vraag te voldoen, waardoor minder extra investeringen in hardware en systeemupgrades nodig zijn. Daarmee kunnen we de totale maatschappelijke kosten om het Nederlandse energiesysteem naar net-zero-uitstoot te krijgen minimaliseren.”

Wake-effect
Een van de toonaangevende innovatieve partners in Hollandse Kust Noord is de Technische Universiteit Delft. Professor Jan-Willem van Wingerden is de expert op het gebied van datagedreven besturings- oplossingen voor windturbines en parken. “Een van de uitdagingen is het oplossen van het ‘wake-effect’. Voor professionele wielrenners is dit geweldig. In de achtervolging profiteren fietsers van de koploper.

Die houdt hen niet alleen uit de wind, maar creëert ook een zuigwind waarvan de nummers twee, drie, vier en verder profiteren. Bij windparken op zee zorgt die zuigwind juist voor minder energieproductie voor de tweede, derde enzovoorts turbine. Bovendien kan turbulentie van de ene turbine de levensduur van de turbine erachter beperken.”

Kunst
Om het wake-effect te verzachten, zijn er verschillende opties mogelijk. Een daarvan is het zo ver uit elkaar plaatsen van de windturbines dat ze geen last van elkaars turbulentie hebben. Maar dan zijn er minder turbines per vierkante kilometer en dus minder opbrengst aan stroom en dus geld. “De kunst is om een balans te vinden tussen de economische en de technische mogelijkheden van een windpark. Met andere woorden, hoe beperk je de effecten van zuigwind en maximaliseer je de energieproductie.”

Kielzog
Van Wingerden zegt dat er verschillende strategieën mogelijk zijn om het zogenoemde zog-effect te verminderen. De meest voor de hand liggende is dat de turbines stroomopwaarts de windkracht in hun eigen kielzog verminderen door minder hard te draaien. Maar dit blijkt in de praktijk volgens hem niet het gewenste effect te hebben.

De tweede wordt yaw control of wake steering, genoemd: de hele rotor wordt gedraaid, zodat op een andere manier langs de turbines stroomt. “Maar het aerodynamische succes hangt af van nauwkeurige kennis van het hele windveld in het park en moet met continu meten en opnieuw afstellen voortdurend worden verfijnd.”

Sweet spot vinden
Het visitekaartje van Hollandse Kust Noord is de derde strategie: het aanpassen van alle afzonderlijke rotorbladen, om daarmee een zogenoemde helix-zog achter de turbine te creëren. Als je een foto van de wind zou maken, lijkt zo’n helix een beetje op een wokkel. Daarvoor zijn programmering, windtunneltesten, schaalmodel- onderzoek nodig om uiteindelijk, vanaf 2025, bij Hollandse Kust Noord te bewijzen dat het in de praktijk ook echt werkt.

“Het gaat erom de sweet spot voor elk individueel rotorblad te vinden en ervoor te zorgen dat de frequentie van de rotaties de structuur niet schaadt. Niemand wil immers dat bladlagers dusdanig slijten, dat delen van de windmolen van de turbine vallen.”

Duurzame proeftuin
Inmiddels wordt hard gewerkt om de CrossWind-locatie vanaf 2023 elektriciteit uit wind te leveren, om daar in 2025 de extra innovatieve oplossingen aan toe te voegen.

Voor de wandelaars op het strand van Egmond aan Zee zal niet veel veranderen. De wind zal waaien zoals ze doet, het zand zal worden verplaatst, het helmgras zal meedeinen zoals elke andere dag en de meeuwen zullen blijven zweven. Maar verder weg, op zee, kun je op een heldere dag vanaf het strand aan de horizon de contouren van een bijzondere duurzame proeftuin zien.

Source: Venture Magazine
Pagina 20-22