Dynaamisen tuulivoimalan siiven kehittäminen

Inspiraationa luonto

Kaikki eläimet, jotka käyttävät liikkumiseen veden tai ilman virtauksia, hyödyntävät dynamiikkaa. Linnut levittävät siipensä ja kääntelevät niitä, kalat puolestaan vaihtelevat eviensä asentoa liikkuakseen eteen- tai ylöspäin. Bioniikkaa käyttämällä on opittu, miten luonnon mekanismeja voidaan soveltaa tekniikan kehittämisessä. Oppeja on hyödynnetty esimerkiksi siinä, miten lentokoneen laskusiivekkeet avautuvat tai miten auton spoilerit liikkuvat ajoneuvon nopeuden mukaan.

Tämä innoitti Tanskan teknillisen yliopiston (DTU) professoria Helge Aagaard Madsenia soveltamaan dynamiikkaa tuulivoimaan. Siemens Gamesa on jo ottanut ensimmäiset askeleet kohti bioniikkaa käyttämällä roottorin siipien valmistuksessa DinoTails-teknologiaa, joka vähentää ilmaturbulenssin aiheuttamaa melua. REHAU työskentelee parhaillaan seuraavan kehitysaskeleen, dynamisoinnin, parissa.

Siipi pysyy kuitenkin yhä edelleen staattisena. Seuraavassa haastattelussa professori Madsen kertoo mahdollisuuksista, joita dynamisointi avaa tuulivoimalle.

_{Haastattelussa professori Helge Aagaard Madsen, DTU, Tanska}

_{Haastattelijoina REHAUn projektipäällikkö Peter Michels ja tiedottaja Cornelia Martin}

Tuulivoima on olennainen osa uusiutuvien energialähteiden valikoimaa. Millaisia mahdollisuuksia näet tuulivoiman tuovan tulevaisuudessa erityisesti sähköntuotannon osalta?

Meillä on vielä paljon tehtävää kattaaksemme uusiutuviin energialähteisiin kohdistuvan kysynnän. Pelkästään aurinkoenergian ja tuulivoiman osuuden on kasvettava vuoden 2015 4,5 prosentin tasosta 60 prosenttiin vuoteen 2050 mennessä (lähde: IRENA, 2018b).

Millaisesta sähkön kokonaismäärän prosenttiosuudesta on kyse Euroopassa tällä hetkellä ja tulevaisuudessa?

WindEuropen keskeisen skenaarion mukaan tuulivoiman kapasiteettia on lisättävä EU:ssa 323 gigawatilla vuoteen 2030 mennessä. Noin kolme neljäsosaa tästä maalle ja neljäsosa merelle. Tämä olisi yli kaksi kertaa enemmän kuin vuoden 2016 lopun taso (160 GW). Tällä kapasiteetilla voitaisiin tuottaa tuulivoimasta 888 TWh sähköä, joka on 30 % EU:n sähkön tarpeesta.

Vuonna 2018 uusiutuvan energian keskimääräinen osuus Euroopassa oli 14 %. Tanska pitää johtoasemaa 41 prosentilla, seuraavina ovat Irlanti (28 %) ja Portugali (24 %). Saksan osuus on tällä hetkellä noin 14 %.

Ratkaiseva merkitys on sillä, että kehitämme samanaikaisesti teknologioita, jotka varastoivat tai tallentavat tuotettua energiaa. Esimerkiksi käyttämällä vetyä.

Miten pitkään olet tehnyt tutkimustasi? Entä miten DTU:n, Siemens Gamesan ja REHAUn välinen yhteistyö sai alkunsa?

Teimme vuosina 2006–2009 perustutkimusta Tanskan teknillisessä yliopistossa Roskildessa. Tämän tutkimusvaiheen lopuksi pystyimme osoittamaan tuulitunnelissa dynamisoinnin lisäävän tehokkuutta. Laboratoriokokeet todistivat, että muuttuva siiven muoto voi lisätä tuulivoimalan kokonaisenergiatehokkuutta.

Martin Heisterberg, REHAUn Pohjoismaiden johtaja, luki hankkeesta sanomalehdestä ja otti minuun yhteyttä. Se tapahtui täsmälleen oikeaan aikaan, sillä hankkeemme oli juuri saanut uutta tuulta alleen. Meillä oli tanskalaisen rahoitusohjelman EUDP:n 1,2 miljoonan euron rahoitus, ja olimme etsimässä teollisuuskumppaneita tutkiaksemme hankkeen teknisiä toteutusmahdollisuuksia.

Ovatko muut yritykset tutkineet tätä aihepiiriä?

Kyllä. Aihetta on käsitelty teoreettisella tasolla vuodesta 2000 lähtien. Toiset tutkijat kuitenkin antoivat periksi, kun tuli teknisen toteutuksen aika.

Mikä tässä hankkeessa oli erityistä?

Kaikki. Meidän oli ajateltava uudelleen materiaalit, mekaniikka ja tuotanto. Ei ollut mitään, mihin olisimme voineet tukeutua. REHAUn tiimi kuitenkin osoitti todellista ennakkoluulottomuutta ratkoessaan tätä mahdotonta tehtävää.

Uuden siiven pinnan oli oltava dynaaminen ja kestettävä 25 vuotta eikä se saanut sisältää metalleja, metalliosia, sähköjohtoja tai elektroniikkaa. Koko järjestelmän on myös kestettävä äärimmäisiä lämpötilanvaihteluita. Moderneille tuulivoimaloille asetetaan suunnattomia vaatimuksia.

Saavutimme läppämallin ensimmäisen teknisen läpimurron REHAUn kanssa syksyllä 2014. Joustava letkuprofiiliyhdistelmä täytti kaikki tiukat vaatimukset. Se koostui profiilista, joka voitiin täyttää ilmalla (mikä teki siitä dynaamisen), sekä letkuista, joiden avulla läppää voitiin liikuttaa pelkästään mekaanisesti käyttämällä paineilmaa. Ohjausyksikkö ja paineilmageneraattori voitiin sijoittaa roottorin siiven napaan.

Läppäprototyyppi asennettiin Delftissä Alankomaissa sijaitsevaan ulkotestauspaikkaan, joka oli kehitetty osana hanketta. Siellä uutta läppäteknologiaa voitiin testata käytännönläheisesti. Testit osoittivat, että läppäprototyyppi kesti todelliset käyttöolosuhteet. Myös korkean keskipakoiskuorman ja ilmakuormien vaihtelevuuden vähentämisen kaltaiset asiat muodostivat osan tutkimusta.

Kohtasitteko myös takaiskuja?

Olimme innoissamme, että REHAU oli todellakin löytänyt materiaalin, joka kestäisi äärimmäisiä olosuhteita. Aluksi meillä ei kuitenkaan ollut oikeanlaista liimaa, jotta materiaali oltaisiin voitu liittää Siemensin tehokkaisiin siipiin. Ratkaisimme ongelman käyttämällä profiilissa koekstruusiomenetelmää.

Vuonna 2018 olimme lopulta siinä vaiheessa, että pääsimme tekemään kenttätestejä suurella testausalueella. Sitten salamanisku tuhosi koko järjestelmän, mikä viivytti hanketta kuudella kuukaudella.

Mitkä ovat hankkeessa kehitetyn teknologian edut?

Voin tiivistää edut neljään tekijään:

Kestävä ja pitkäikäinen kaikissa sääolosuhteissa, ei mekaanista kulumista
Helppo integroida myös olemassa oleviin siipiin
Skaalattava eri siiven pituuksille (60–100 metriä)
Kaupallinen houkuttelevuus, luotettavat kuoletusajat

Miksi REHAUn asiantuntemuksella oli niin tärkeä merkitys?

REHAUn tiimi pystyi sitoutumaan tiiviisti mukaan tutkimukseemme. Meidän hankkeestamme tuli myös heidän hankkeensa. Heidän osaamisensa materiaalien, koostumusten ja prosessien alalla oli jotain, mitä en ollut kokenut koskaan ennen. Tutkimus ja kehitys tuntuvat olevan syvälle iskostettuina REHAUn DNA:han.

Mitkä ovat seuraavat vaiheet?

REHAUn osalta tuulivoimahanke siirtyi kolmanteen vaiheeseen syksyllä 2019. Tätä vaihetta johtaa Siemens Gamesa, ja siinä keskitytään ennen kaikkea kaupallistamiseen. Tavoitteena on tehdä tuulivoimaloista noin 8 % energiatehokkaampia. Tämä vastaa noin 6–15 lisägigawattia tuulivoimalan koosta riippuen.

^{1) IRENA 2019: INNOVATION LANDSCAPE FOR A RENEWABLE-POWERED FUTURE: SOLUTIONS TO INTEGRATE VARIABLE RENEWABLES
2) Wind energy in Europe: Scenarios for 2030, September 2017, Wind Europe}