Af Tore Vind Jensen, DTU.
I en artikel i Science fremhæver forskere fra DTU Vindenergi og en international gruppe af kolleger behovet for yderligere videnskabelige og innovative gennembrud inden for vindenergi for at den kan blive en primær kilde til vores globale energiforsyning.
Den samlede globale kapacitet for installerede vindmøller er steget ti gange siden 2005 ifølge et skøn fra World Wind Energy Association. I 2005 var den samlede globale kapacitet 59 Megawatt stigende til næsten 600 MW i 2018. I de sidste fem år er der tilføjet ny kapacitet på ca. 50 MW hvert år.
Man kunne tro, at denne udvikling sikrer, at vindenergi vil blive en primær kilde til bæredygtig, billig energi i fremtiden. Vindmøllerne, der blev installeret ved udgangen af 2018, dækkede dog kun næsten 6% af den globale efterspørgsel på elektricitet.
I artiklen i Science fremhæver en international gruppe af videnskabsfolk fra Danmark, USA, Norge, Sverige, Finland, Spanien og Tyskland det presserende behov for yderligere gennembrud fra forskning og innovation inden for vindenergi.
Sektionsleder ved DTU Vindenergi, Katherine Dykes, er en af hovedforfatterne af artiklen sammen med Paul Veers og Eric Lantz fra U.S. Department of Energy’s National Renewable Energy Laboratory (NREL).
I efteråret 2017 indkaldte NREL mere end 70 vindeksperter, der repræsenterede 15 lande, for at diskutere et fremtidigt globalt el-system, hvor vinden kunne fungere som den primære energikilde. Baseret på denne workshop identificerede artikelforfatterne tre “store udfordringer” inden for vindenergiforskning, som kræver yderligere fremskridt fra det videnskabelige samfund.
– Vindenergi kan blive rygraden i det grønne energisystem, men de store forsknings- og innovationsudfordringer skal stadig overvindes. Der er store muligheder for gennembrud inden for vindenergi både on- og offshore. Faktisk vil disse gennembrud sandsynligvis komme, hvis det videnskabelige samfund samarbejder om at løse tre store udfordringer inden for vindenergi. I vores artikel opfordrer vi til, at det brede videnskabelige samfund mødes om at løse disse tre store udfordringer for at realisere det fulde potentiale i vindenergi og den grønne omstilling, siger Katherine Dykes.
De tre store udfordringer er:
1. Forbedret forståelse af vindressourcer og -strømme i det område af atmosfæren, hvor vindmøller opererer. Når vindmøller øges i højden for at fange større energiressourcer, og når vindanlæg spredes over større afstande, er vi nødt til at forstå dynamikken i vinden ved disse højder og skalaer. Forenklede fysiske modeller og grundlæggende observationsteknologi har muliggjort installation af vindkraftværker og forudsigelser om ydeevne i forskellige terræntyper. Imidlertid er der store huller i vores viden om vindstrømme i komplekst terræn, i og mellem vindanlæg, interaktion mellem vind og vand i offshore-miljøer osv. Vi er nødt til at forstå disse forhold, så vindanlæggene kan optimeres omkostningseffektivt og kontrollerbart – og installeres på de rigtige steder.
2. Adressering af struktur- og systemdynamikken i de største roterende maskiner i verden. Vindmøller er nu de største fleksible, roterende maskiner i verden – med bladlængder på over 80 meter og tårne på godt over 100 meter. For at sætte dette i perspektiv kunne tre af de største passagerfly – Airbus A380-800 – passe næse-til-næse inden for område, som dækkes af en vindmøllerotor. Efterhånden som maskinerne fortsætter med at blive større, er nye materialer og fremstillingsprocesser nødvendige for at takle de nye problemer med skalerbarhed, transport og genbrug. Derudover rejser samspillet mellem turbine og forholdende omkring den adskillige vigtige forskningsspørgsmål. Mange antagelser, hvorpå tidligere generationer af vindmøller blev designet, gælder ikke længere. Vi er nødt til at forstå den komplekse og dynamiske opførsel af den næste generation af vindmøller, som interagerer med vindstrømmene, der kommer ned i og gennem anlægget.
3. Design og drift af vindkraftværker til at understøtte og fremme el-nettets pålidelighed og fleksibilitet. En høj andel af energi fra vind og sol vil drastisk ændre fremtidens el-net. Vindenergi kan hjælpe med at sikre, at nettet fungerer pålideligt til enhver tid. Innovative kontroller kan udnytte vindmøllernes egenskaber for at optimere anlæggets energiproduktion og samtidig levere disse nettjenester. For eksempel kan anvendelse af big-data teknikker om information fra sensorer forbedre opfangningen af energi, reducere omkostningerne og optimere driften for at imødekomme el-nettets krav. Vejen til realisering af det vil kræve betydelig forskning i skæringspunkterne mellem atmosfærisk flowmodellering, individuel turbinedynamik og styring af vindanlæg med driften af det brede el-system.
Disse tre store udfordringer bygger på hinanden. At karakterisere vindkraftværkets driftszone i atmosfæren vil være afgørende for fremskridt ift. at designe den næste generation af endnu større og billige vindmøller. At forstå både dynamisk styring af vindmølleparker og forudsigelser af vinden, vil sikre den styring af anlægget, som er nødvendigt for at understøtte elnettet.
Ifølge artiklen vil overvindelsen af disse udfordringer muliggøre den innovation, der er nødvendig for at realisere vindenergiens fulde potentiale – nemlig ikke kun at levere billige elektroner, men også at danne rygraden i et fremtidig energisystem, der er en grundlæggende del af den grønne omstilling.
Medforfatter på artiklen, Anna Maria Sempreviva, seniorforsker ved DTU Vindenergi, hvis specifikke bidrag til artiklen var om datavidenskab og datastyrings betydning for at nå de tre mål, siger, at kompleksiteten af de tre store udfordringer nødvendiggør en tværfaglig tilgang fra alle forskningsgrene inden for vindenergi:
– Videnskabelige gennembrud bag innovation stammer ofte fra forskningsprogrammer med bidrag fra forskere fra adskillige discipliner, der ellers kan synes at være adskilte I det lys er tilgængeligheden af big data på tværs af forskellige skalaer og discipliner og specifikt datastyring afgørende for en effektiv digitalisering. Artiklen er en opfordring til industrien om at handle i synergi med forskere, dele data for at teste nye hypoteser eller evaluere nye metoder, der understøtter udviklingen af nye produkter, processer og forretningsmodeller.
Det kan også sikre, at vindenergisektoren forbliver økonomisk attraktiv for investorer og forbrugere, da omkostningerne til energi fra vinden fortsætter med at falde.
Mens vindenergisektoren er nået langt i det sidste årti, understreger artiklen det presserende behov for yderligere udvikling. Den skitserer de nødvendige skridt for at bevæge sig fra de 6% af det globale efterspørgsel på elektricitet, som leveres i dag – mod en fremtid, hvor vindenergi bidrager med en tredjedel til mere end halvdelen. Og hvor lokale niveauer af energi fra vind af og til kan overstige 100% af den lokale efterspørgsel, som det undertiden gør i Danmark.
– At løse disse store udfordringer inden for vindenergifysik, maskindynamik og systemvidenskab og kontrol kræver integrerede forskningsprogrammer, der involverer forskere og ingeniører fra hele verden, siger Katherine Dykes, og tilføjer, at Danmark er unikt positioneret til at forblive central i denne forskning og innovation:
– Danmark har haft en førerposition, hvor industri og forskere, samarbejder om at gøre vindenergi til en af de billigste måder at generere elektricitet i dag. Hvis det fortsætter, vil Danmark forblive, som det har været i over et århundrede, en fyrtårn i vindenergi for hele det globale samfund.
