Dr. Axelle Viré is universitair docent bij de afdeling Aerodynamics, Wind Energy & Propulsion (AWEP). Ze werkt aan de numerieke modellering van drijvende en vliegende windturbines. “De toekomst van windenergie ligt hoger in de lucht en verder op zee. Daarmee worden nieuwe markten aangeboord en komen we letterlijk op onontgonnen gebied”, zegt ze.

Modellen voor drijvende en vliegende windturbines moeten rekening houden met de zogeheten vloeistof-structuurinteracties. “In het geval van drijvende windturbines beweegt het systeem onder invloed van wind, golven en oceaanstromingen”, legt dr. Axelle Viré uit. “En de constructie van een vlieger is een flexibel membraan dat vervormt door de lucht die eromheen stroomt. In beide gevallen willen we weten hoe deze interacties de prestaties van de systemen beïnvloeden.”

Niet-lineaire gebeurtenissen

Bestaande snelle modellen kunnen de dynamica van dergelijke systemen simuleren in realtime of voor de verwachte levensduur van een systeem. Dergelijke modellen zijn echter meestal alleen geschikt voor lineaire verschijnselen, met eenvoudige bewegingen als kleine golven. “Wij zijn meer geïnteresseerd in niet-lineaire gebeurtenissen, zoals sterke wind of grote golven”, legt Viré uit. “Als je een ontwerp voor een vlieger of een drijvende turbine hebt, wil je zeker weten dat het systeem tegen zulke extreme omstandigheden kan. We willen bijvoorbeeld berekenen wat de invloed is van brekende golven op de constructie van drijvende windturbines.” Een ander probleem is dat golven zich niet altijd voortbewegen in de richting van de wind. “De combinatie van niet-extreme winden en golven kan dan toch voor extreme belastingen zorgen. Maar snelle modellen veronderstellen meestal dat wind en golven niet sterk zijn en bovendien dezelfde richting hebben.”

“Onze modellen moeten verfijnder worden”, concludeert Viré, die de leiding heeft over de ontwikkeling van de ‘high-fidelity’ numerieke tools die hiervoor nodig zijn. Ze kijkt onder andere naar de modellering van het gedrag van vliegende apparatuur, waarbij interacties tussen aerodynamica, structuurdynamica en vluchtdynamica een rol spelen. “We hebben hier al simpele modellen voor, maar om die te verfijnen willen we ze koppelen aan numerieke stromingsleer. We bevinden ons hiermee nog maar op een heel fundamenteel niveau. Voor zover we weten wordt nergens anders ter wereld hieraan gewerkt.”

High-fidelity modellen

Zulke high-fidelity simulatiemodellen zijn traag en kosten veel rekenkracht, maar de resultaten kunnen ook worden gebruikt om de kwaliteit van de snellere modellen te verhogen. “We kunnen niet met een high-fidelity model naar de hele levensduur van een systeem kijken, maar we kunnen ons wel concentreren op specifieke omstandigheden en de manier waarop het systeem zich daarin gedraagt. Daarmee krijgen we dan nauwkeurigere waarden die we weer in onze snellere modellen kunnen stoppen”, legt Viré uit. “In onze vliegermodellen gebruiken we nu bijvoorbeeld ruwe benaderingen van de opstuwing en weerstand van de vleugel. Met de nieuwe methode die we nu ontwikkelen, hopen we die te verfijnen.” Maar dat is nog een hele uitdaging. “Je hebt dan een soort representatie van je gedetailleerde model in je grotere model nodig, maar hoe knoop je die twee aan elkaar vast? Die uitdaging heb je vaak met vraagstukken op meerdere schalen.”

Ontbrekende schakel

Als postdoctorale research fellow bij het Imperial College in Londen werkte Viré aan de numerieke modellering van drijvende windturbines, een onderwerp dat in Delft nog ontbrak toen zij er kwam. “Ik wil drijvende windturbines ontwikkelen als onderzoeksgebied bij de TU Delft. Als sectie Wind Energy moeten we daar aandacht aan besteden”, vindt ze. “Drijvende windturbines zitten dichter tegen vermarkting aan dan vliegerenergie. Er zijn al prototypen die op het net aangesloten zijn en energie leveren.” Het eerste drijvende windenergiepark ter wereld wordt in Noorwegen gebouwd door Statoil in, dat in 2009 zijn eerste Hywind-turbine installeerde. In Portugal willen ze in 2018 drie of vier drijvende windturbines operationeel hebben met het project WindFloat Atlantic (WFA). “Noorwegen en Portugal hebben diep water dicht bij de kust. Dat zijn precies de omstandigheden waarin drijvende turbines de oplossing kunnen zijn. Het is er te diep om turbines op monopalen te plaatsen, maar dicht genoeg bij de kust voor een gemakkelijke aansluiting op het net.” Buiten Europa is Japan op dit vlak actief. Daar zijn bij Fukushima ter vervanging van de gesloten kerncentrale al drie drijvende windturbines geïnstalleerd.

Nederlandse belangstelling

Tot voor kort was er in Nederland  slechts beperkt belangstelling voor drijvende windturbines. Misschien werd er gedacht dat we ze niet nodig hadden, omdat de Noordzee ondiep genoeg is voor monopalen. Dat maakte het moeilijk om voor dit specifieke onderwerp onderzoeksfinanciering op nationaal niveau te krijgen. “Dat is nu aan het veranderen. In Nederland is onlangs een marktonderzoek gepubliceerd naar drijvende windturbines, en Nederlandse bedrijven zien het nu als een kans”, zegt Viré. En terecht, want ook al ligt de markt voor drijvende windturbines bij gebieden met diep water, je kunt volgens Viré wel de kennis ontwikkelen als exportproduct. Die boodschap lijkt nu in Nederland te zijn doorgedrongen. Er kunnen ook lokale voordelen zijn. “Met drijvende platforms kun je verder uit de kust werken, zodat er minder bezwaren vanuit de bevolking zullen zijn. Er kan dan op veel meer locaties worden gewerkt dan nu.”

De eerste windturbines die op zee werden gebouwd, waren gebaseerd op oude ontwerpconcepten, maar daarbij kunnen problemen optreden. “Traditioneel staan turbines op monopalen. Bij installatie op zee moet de paal de zeebodem in en moet je de bodemconditie kennen”, zegt Viré. “Zelfs als we iets kunnen bouwen wat diep genoeg gaat, is dat een dure aangelegenheid. Maar voor een drijvend platform dat je vastlegt aan de zeebodem, heb je alleen kabels en ankers nodig. Dat is veel minder kostbaar dan een volledige constructie en heeft minder invloed op het milieu.” Viré denkt dat beide toepassingsgebieden, drijvende windturbines en vliegerenergie, in de toekomst één worden. “Vliegers zijn goedkoper dan conventionele turbines. Dat is aantrekkelijk wanneer je offshore werkt, waar de kosten hoger zijn. Je hebt schepen nodig om de turbines te bereiken en dat is moeilijk bij slecht weer, zodat de beschikbaarheid lager ligt dan bij windenergie die aan land wordt opgewekt. Het zou dus best kunnen dat vliegers op drijvende platforms de meest kosteneffectieve oplossing zijn.”

Samenwerking

Viré vindt het interessant dat er verschillende vakgebieden bij haar werk betrokken zijn: “Er zijn zoveel verschillende aspecten. We werken met de faculteit CiTG aan de deelconstructies, en met EWI en ME aan de besturing en de elektrotechniek. DUWIND is een goed platform om al deze vakgebieden te verbinden.” Ze coördineert ook een cursus voor professionals over offshore windenergie. De cursus duurt zeven weken en begint in mei, met docenten uit de diverse betrokken vakgebieden. “Het is een multidisciplinair terrein en vaak zijn mensen opgeleid in maar één van de vakgebieden. Het doel van de cursus is om ze kennis te laten maken met die andere vakgebieden en te leren hoe al die onderwerpen worden geïntegreerd in het ontwerp van een windmolenpark.”

Viré onderhoudt nog steeds nauwe contacten met haar vroegere onderzoeksgroep op het Imperial College in Londen, waar ze honorary fellow is. “We proberen bijvoorbeeld samen financiering aan te vragen en er zijn uitwisselingsbezoeken. In Londen kunnen ze profijt hebben van onze expertise op het gebied van wind, omdat zij zich van oudsher meer bezighouden met oceanen en getijdenenergie.” Ook heeft ze onlangs een financieringsvoorstel geschreven voor een consortium met onder meer de Noorse en Portugese projecten met drijvende windturbines. “Het gaat op dit moment nog om fundamenteel onderzoek, maar we moeten toch laten zien dat het gericht is op de praktijk en maatschappelijk belangrijk is. Het wordt steeds moeilijker om financiering te vinden voor fundamenteel onderzoek zonder daar partners uit het bedrijfsleven bij te betrekken.” Maar dat is het niet de enige reden om de Portugezen en de Noren erbij te willen hebben. “Zij hebben data, en dat is een belangrijk voordeel. In een zo nieuw onderzoeksgebied is het soms moeilijk om met zakelijke partijen in contact te komen. Zij zullen hun bedrijfsgeheimen of patenteerbare kennis niet met ons delen. Maar of ze nu een basisontwerp of een eindontwerp met ons delen, wij kunnen het gebruiken voor onze simulaties. Hoe meer data we hebben, hoe beter.”

Verder vooruitkijken

“Mijn werk heeft sterke banden met toepassingen”, vervolgt Viré. “Dat inspireert mij, ook al kijk ik naar oplossingen voor de langere termijn.” Terwijl het bedrijfsleven meestal vanuit de korte termijn denkt, vindt Viré dat je altijd verder vooruit moet kijken, ook naar oplossingen met een hoger risico. “Als je alleen werkt aan verbeteringen van wat al bestaat, kom je niet tot grote veranderingen of doorbraken.” Haar werk gaat nu nog vooral over nieuwe benaderingen van bestaande concepten. “Zo ontsluiten we nieuwe markten en kunnen we meer offshore locaties benutten. Maar als we echt stappen willen zetten en werkelijk iets willen betekenen, moeten we radicaler innoveren.”

Ook terugkijken kan daarbij nuttig zijn. “Oplossingen die jaren geleden zijn verworpen, kunnen weer interessant worden”, zegt Viré, en ze noemt als voorbeeld verticale windturbines. “Die worden vanwege hun lagere rendement nauwelijks gebruikt. Maar voor drijvende platforms kunnen ze interessant zijn, omdat hun zwaartepunt lager ligt”, legt ze uit. “Je kunt je indenken dat een bewegende turbine op een drijvend platform dynamisch niet erg stabiel is. Als je de massa van het systeem lager kunt leggen, vergroot je de stabiliteit.” Helaas zal het bedrijfsleven nog niet direct in de rij staan om dit idee te implementeren, omdat alle huidige turbines, en dus ook alle ontwerp- en productiefaciliteiten, gebaseerd zijn op horizontale technologie. “We zijn nu aan het onderzoeken wat de beste schaal is voor een drijvend platform voor de huidige windturbines. We kunnen wel gebruikmaken van kennis uit de olie- en gasindustrie, maar de schalen in ons onderzoeksgebied zijn heel anders. De vraag is hoe de schaal van het platform zich moet verhouden tot de capaciteit van de windturbine. Wat is het optimale ontwerp van een drijvende windturbine? Misschien liggen de antwoorden wel in een totaal andere benadering. Dat is wel degelijk toegepast onderzoek, hoewel het misschien nooit echt in praktijk zal worden gebracht. Daarom hebben we meer financiering nodig voor zulk risicovol onderzoek.”