Er dette den smarteste vindturbinen hittil? Møt hjernen bak hjernen til Hywind.

Hywind har vist hva den er god for – gjennom omfattende testing i virkelige forhold, under noen av verdens tøffeste værforhold og på flere ulike steder. Nylig ble produksjonstallene for Hywind Tampen offentliggjort, og de viser en kapasitetsfaktor i verdensklasse. Og før det, banet Hywind Scotland og Hywind Demo også vei.

Men hvordan klarte vi å gå fra en skisse på en serviett til en fungerende prototype til havs – og hvordan løste vi de komplekse utfordringene innen programvare og styringsteknologi? Her går vi i dybden på historien.

Teknologi som rocker – for å dempe rullingen

De visste at de trengte ny programvare, for turbinen ville være dynamisk ustabil med en vanlig vindturbin-kontroller. Det er ingeniørspråk for: den ville rulle og svaie ukontrollert – med enorme påkjenninger på tårn og forankringssystemer.

Problemet var bare at ingen tidligere hadde forsøkt å modellere de dynamiske kreftene i en slank, flytende sylinder med en tung vindturbin på toppen.

Det teamet trengte, var et datageni med ekspertise i marindynamikk. Slike vokser ikke på trær – men Finn Gunnar visste akkurat hvem han skulle spørre.

Rett fra universitetet, med en rykende fersk doktorgrad i marin kybernetikk på CVen, var Bjørn Skaare 30 år og klar for en karriere i olje og gass. I stedet ble han rekruttert rett inn i Hywind-prosjektet. Lettere forundret tok han utfordringen på strak arm.

Bjørns beskjedne vesen skjuler et usedvanlig skarpt hode. «En ulv i fåreklær – en av de smarteste vi har hatt i selskapet,» betrodde en kollega.

En vanlig vindturbin på land styres av programvare som regulerer ytelsen – men når turbinen står på en flytende, svaiene konstruksjon, øker kompleksiteten betydelig.

Finn Gunnar og teamet hans visste at standard programvare for vindturbiner ikke ville fungere på en flytende turbin. Årsaken er at når en flytende turbin heller bakover, tolker en konvensjonell kontroller dette som at vinden avtar, og justerer rotorbladene for å fange mer vind. Resultatet? Enda mer bakoverhelling – og økende svingninger.

Og motsatt: når turbinen heller fremover igjen, tror kontrolleren at vinden har økt, og vipper bladene for å fange mindre vind – noe som bare forsterker fremoverbevegelsen.

Konsekvensen ville vært en vindturbin som gynger som et pendel – med enorme materialpåkjenninger og behov for svært kraftige forankringer til havbunnen.

Å knekke koden
Bjørn Skaare fikk oppdraget med å finne opp, utvikle og programmere en ny bevegelseskontroller som kunne løse stabilitetsproblemet. Han hadde få virkemidler. Med kun regulerbare rotorblader og sin egen spesialutviklede kode måtte han sørge for at turbinen kunne jobbe dynamisk for å holde seg stabil og oppreist i både sterk vind og høye bølger.

Med andre ord: Hywinds «hjerne» måtte være langt smartere enn hos andre vindturbiner. Bjørn satte i gang.

«Vi håpet det skulle fungere, men du får ikke det endelige svaret før det faktisk står en ekte vindturbin på toppen og alt virker.» Og det gjorde det – Hywind Motion Controller fungerte perfekt fra første stund.

«Jeg kjente en enorm lettelse da det fungerte slik vi hadde håpet,» sier Bjørn. «Og simuleringene våre stemte godt overens med målingene fra den virkelige turbinen,» legger han til.

Hywind Demo fanget folks oppmerksomhet med sitt tyngdekraft-trossende design. Den var enkel, elegant – og bygget på et prinsipp Equinor kjente godt fra olje- og gassindustrien: den flytende spar-bøya.
(Og forresten – Hywind Demo er fortsatt i drift den dag i dag.)

Teamet rettet nå blikket mot Hywind Scotland – verdens første flytende vindpark, som skulle bli et testanlegg utenfor kysten av Peterhead med fem turbiner. Bjørn, Finn Gunnar og resten av teamet ønsket å videreutvikle kontrolleren for å løse et nytt problem de hadde identifisert.

De hadde allerede fått kontroll på stamp og rulling av tårnet, men ønsket nå å håndtere yaw – de roterende bevegelsene rundt tårnets vertikale akse, som forårsaket store belastninger på fortøyningene. Hvis kontrolleren også kunne dempe yaw-bevegelsene, ville de kunne redusere størrelsen – og dermed kostnadene – på ankere, kjettinger og bridle-linjer.

Finn Gunnar jobbet med de grunnleggende fysiske prinsippene, mens Bjørn omsatte dem til fungerende programvare.

Kybernetisk trylleri – i tredje dimensjon

Bjørn utviklet nå det såkalte Active Yaw Individual Pitch Control-systemet (AYIC) for å kontrollere vindturbinens yaw-bevegelse. Han tok i bruk en avansert 3D-modell av vindkreftene som virker på hele rotorens areal, og justerte hvert enkelt rotorblads stigning i sanntid basert på data fra dusinvis av sensorer plassert rundt på hele turbinen.

Han guider oss gjennom matematikken ved hjelp av et diagram på skjermen. Hvis du allerede syntes denne historien var komplisert – hold deg fast nå.

– Hvis du gir et turbinblad en positiv stigning [pitch], reduserer du skyvekreftene på det bladet, forklarer Bjørn. – Så hvis tårnet roterer rundt sin egen vertikale akse – la oss kalle denne vinkelen theta, θ – kan du skape et positivt gjenopprettende moment i én del av rotasjonen, og en negativ moment i den andre. Og hvis du gjør dette syklisk for alle bladene, kan kontrolleren skape et moment som korrigerer yaw-vinkelen, sier han – tydelig i troen på at jeg fortsatt henger med. Hodet mitt er på vei til å kortslutte, men han fortsetter ufortrødent.

– Deretter måler vi yaw-vinkelen og sender individuelle signaler til hvert enkelt blad. I simuleringene begrenset vi yaw-vinkelen til tre grader ved hjelp av kontrolleren, og vi så en betydelig reduksjon i spenninger og krefter i forankringslinene, forteller han.

Etter vellykkede simuleringer implementerte teamet de nye algoritmene i en oppdatert bevegelseskontroller og installerte den på fire av de fem turbinene i Hywind Scotland. Den femte turbinen ble bevart som referanseenhet. Resultatene? Yaw-kontrollen leverte som forventet.

– Bevegelseskontrolleren, hjernen som styrer blade pitch for å holde plattformen stabil, har vært en av de viktigste innovasjonene bak Hywind, sier Finn Gunnar Nielsen. – Bjørn Skaare har vært nøkkelpersonen i dette arbeidet. Det er det viktigste enkeltsystemet vi har utviklet, og reisen dit har vært utrolig spennende.

Hywind Demo- og Hywind Scotland-direktør Leif Delp støtter vurderingen:

– Kontrolleren var en av de viktigste innovasjonene i hele Hywind-prosjektet, sier han.

– Gjennom hele utviklingen av Hywind-konseptet har vi brukt vår flytende bevegelseskontroller. Vi har ligget i front hele veien – spesielt etter at Finn Gunnar hentet inn Bjørn Skaare i 2005. Uten kontrolleren hans ville det aldri ha fungert så godt som det gjør i dag. Det er den viktigste årsaken til at vi nå ser den suksessen vi gjør, sier han.

Og viktigst av alt: Løsningen med bevegelseskontroller kan brukes på alle typer flytende vindturbinplattformer, ikke bare Hywind. Den er allerede inne i tidligfasevurderinger for stålbaserte, halvt-nedsenkbare flytende turbiner.

(Historien fortsetter nedenfor)

– For eksempel ser vi at for Hywind spar-konseptet i Nordsjøen har betong mange fordeler, forklarer han. – Det er ikke bare billigere enn stålkonstruksjonen som ble brukt i Hywind Demo og Hywind Scotland, men vi frigjør oss også fra begrensningene i verftskapasitet, reduserer transportbehovet, slipper å vende spar-konstruksjonen og fylle den med ballast – og vi kan benytte lokale leverandører og lokal arbeidskraft.

– Til nå har vi jobbet med teknologiutvikling og risikoreduksjon i prosjektgjennomføring, og vi har kvalifisert løsningen. Men vi har fortsatt ingen lønnsom industri. For å få til det, må vi øke størrelsen på turbinene og bygge større vindparker, sier han. Nøkkelen til kostnadsreduksjon er stordriftsfordeler.

– Teknologien lar seg skalere svært godt. Nå snakker vi om neste generasjon turbiner på 15, 20 eller kanskje 25 MW – med vingespenn på opptil 280 meter og naceller som veier over 1000 tonn.

Han er en av pionerene i Hywind-teamet og har vært med siden 2006. Han er overbevist om at flytende vind vil bli konkurransedyktig på lang sikt.

– Rundt 14 av de omtrent 20 områdene langs norskekysten som er utpekt for havvind, vil måtte være flytende, eller en kombinasjon av flytende og bunnfast. Vi kunne masseprodusere standardiserte flytende turbiner i betong til alle disse prosjektene.

– Flytende vindturbiner kan åpne nye markeder, og gjøre det mulig for oss å utnytte områder med sterkere vind og dypere vann, sier Leif Delp, med overbevisning.