Merenpohjan tuulivoimaloiden ja vuorovesiturbiinien tehostaminen ennustamalla ennustamattoman

Merellä tuotettavat uusiutuvan energian hankkeet saavat merkittävää huomiota maailmanlaajuisesti. Jos tarkastelemme pelkästään Euroopan unionia, offshore‑tuulivoiman käyttöönotto on keskeinen osa Euroopan vihreän sopimuksen toteuttamista, jonka tavoitteena on varmistaa Euroopan kilpailukyky ja energiansaannin turvallisuus.

Yleisesti ottaen Euroopan komissio on jo julkaissut erityisen EU‑strategian offshore‑uusiutuvan energian osalta, jossa esitetään vahvoja toimia alan pitkän aikavälin kestävän kehityksen tukemiseksi. Strategiassa asetetaan kunnianhimoiset tavoitteet vähintään 60 GW offshore‑tuulivoiman ja 1 GW merienergian asennetuksi kapasiteetiksi vuoteen 2030 mennessä, ja 300 GW sekä 40 GW vastaavasti vuoteen 2050 mennessä. Hyvä uutinen on, että EU:n maat ovat jo ylittäneet komission asettamat tavoitteet sekä lyhyellä että pitkällä aikavälillä.

Maailmanlaajuinen offshore‑uusiutuvan energian markkina kasvaa myös nopeasti. Vuoden 2024 Offshore‑Wind‑Market‑Report – jonka on julkaissut National Renewable Energy Laboratory (NREL) – kertoo, että vuonna 2023 tehdyt uudet offshore‑tuulivoimaloiden asennukset nostivat maailmanlaajuisen kapasiteetin yli 68 GW:iin, jakaantuen 319 toimivaan projektiin, joissa on yli 13 000 toimivaa turbiinia.

Lisäksi useita projekteja on eri suunnittelu- ja kehitysvaiheissa, jolloin putkessa oleva offshore‑tuulivoiman kapasiteetti on yhteensä yli 453,6 GW, joista 104,4 GW on kelluvia rakenteita.

Tällainen kasvu offshore‑uusiutuvan energian sektoreilla edellyttää vahvaa tukea maailmanlaajuiselta T&K‑yhteisöltä – ja tukea on saatavilla. Seuraavassa osiossa käsittelemme yhtä tällaista innovatiivista kehitystä: vedenalaisia robotteja, jotka pystyvät ennustamaan aaltoja reaaliajassa, mikä voi alentaa offshore‑uusiutuvan energian tuotantokustannuksia.

Uusi teknologia voi tehdä offshore‑tuulivoimaloiden ja vuorovesiturbiinien ylläpidosta edullisempaa, nopeampaa ja turvallisempaa

Tutkimuksen tekijöinä toimivat Edinburghin yliopiston kolme tutkijaa, Kyle L. Walker, Laura Beth Jordan ja Francesco Giorgio‑Serchi, kehittivät täydellisen alusta‑loppuun ohjausarkkitehtuurin häiriöiden torjumiseksi paikannustehtävissä aaltohäiriöiden aikana. Arkitehtuuri yhdistää epälineaarisen mallipohjaisen ennustavan ohjaimen (NMPC) deterministiseen meriaaltojen ennustimeen (DSWP). Ratkaisu pyrkii helpottamaan vedenalaisten ajoneuvojen toimintaa aaltojen hallitsemassa ympäristössä, jossa häiriöt vaikuttavat merkittävästi ajoneuvon reagointiin ja voivat vaarantaa turvallisuuden.

Yksinkertaisesti sanottuna tutkijat ovat kehittäneet sekä laskennallisia että kokeellisia työkaluja, jotka antavat autonomisille roboteille mahdollisuuden pitää vakaan sijainnin epäsäännöllisten, puhaltavien aaltojen keskellä. Yliopiston FloWave‑testisäiliö toimi kokeen testialustana. Tietoa kerättiin Pohjanmeren kellukselta, jonka avulla mallinnettiin robotin mahdollisia toimintaympäristöjä.

Järjestelmä käyttää merenpohjaan kiinnitettyjä laitteita mittaamaan saapuvien aaltojen suuntaa ja korkeutta, ja välittää tiedon reaaliajassa lähistöllä toimivalle robotille, jolloin miehittämätön laite voi ennakoida monimutkaisia tulevia häiriöitä vedessä ja torjua ne säilyttäen vakaan aseman.

Teknologian hyödyt

Lähde: Edinburghin yliopisto

Stabiilit miehittämättömät robotit, jotka sijoitetaan merelle, voisivat suorittaa monimutkaisia rutiinihuoltotehtäviä alhaisemmilla kustannuksilla, mikä vähentäisi uusiutuvan energian tuotannon kokonaiskustannuksia – kustannuksia, jotka eivät tällä hetkellä ole kilpailukykyisiä fossiilisten polttoaineiden kanssa. Tällaisen robotin käyttöönotto ja sen vakaa toiminta mahdollistaisivat myös yksinkertaistetut operoinnit, joihin ei tarvitsisi aluksia, helikoptereita tai nostolaitteita.

Tutkijat korostavat, että heidän uusi ratkaisunsa on parempi kuin perinteiset ohjausjärjestelmät.

Selventääkseen, millä tavoin ohjausjärjestelmät ovat kehittyneet, tohtori Kyle Walker, yksi kolmesta tutkijasta, totesi seuraavaa:

“Luomalla ennusteen tulevista aaltohäiriöistä ja integroimalla sen ohjausjärjestelmään, pystymme laajentamaan toimintaväliä ilman merkittävää muutosta robotin laitteistoon. Tämä on suuri etu, kun teknologiaa siirretään kenttään, ja tekee järjestelmästämme sovellettavan suurimmalle osalle tällä hetkellä markkinoilla olevia ajoneuvoja.”

Lisäksi kokeelliset tulokset ovat osoittaneet, että järjestelmä on erittäin yhteensopiva syvällä, pinnan lähellä toimivien robottien kanssa, joissa häiriöt koetaan voimakkaasti.

Tulevaisuudessa tutkijat haluavat antaa ratkaisulle entistä enemmän autonomiaa, jotta se pystyy suorittamaan tarkkoja tehtäviä, kuten ruosteen havaitsemista tai sähkölaitteiden korjaamista ilman epävakautta.

Kun puhutaan teknologian tuomista eduista, tohtori Francesco Giorgio‑Serchi totesi:

“Teknologian jatkokehittäminen voi merkittävästi edistää miehittämättömien robottien käyttöönottoa merellä ja nostaa automaation tasoa offshore‑sektorilla radikaalisti.”

Vaikka tämä tutkimus tekee offshore‑uusiutuvan energian tuotannosta edullisempaa ja tehokkaampaa, on muistettava, että alalla on tehty tutkimusta jo pitkään. Esimerkiksi vuonna 2022 kolme tutkijaa – Y. Liu, M. Hajj ja Y. Bao – julkaisi katsauksen robottipohjaisesta vauriokartoituksesta offshore‑tuuliturbiineille (OWT). Seuraavassa on joitakin katsauksen keskeisiä havaintoja.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoa liikkumattomasta tuulivoiman tuottavasta turbiiniteknologiasta.

Robotien käyttöönotto offshore‑tuuliturbiinien vauriokartoituksessa

Tutkimus korosti, että robotit voivat suorittaa automatisoitua kunnonarviointia offshore‑tuuliturbiineille. Se tarkasteli UAV‑alusten, kiipeilyrobottien ja vedenalaisten robottien mahdollisuuksia valvonnassa sekä valokuvauksen, termografian ja röntgenkuvauksen käyttöä poikkeavuuksien havaitsemiseksi.

Offshore‑tuuliturbiinit kohtaavat monia haasteita, kuten ankaria ympäristöjä, joissa dynaamiset ja äärimmäiset kuormitukset vaikuttavat turvallisuuteen ja käyttöikään. Asennus‑ ja ylläpitokustannukset nousevat, mikä nostaa uusiutuvan energian tuotannon kokonaiskustannuksia. Lisäksi suolaveden aiheuttama materiaalin heikkenemisen riski on merkittävä.

Tutkimus toteaa, että robotiikan ja älykkäiden algoritmien viimeaikaiset edistysaskeleet voivat auttaa arvioimaan OWT‑vaurioiden tasoa. Kun robotti on varustettu NDE‑laitteella, se voi etä- tai automaattisesti tarkastaa turbiineja, ja näistä laitteista kerättyä dataa voidaan analysoida älykkäillä algoritmeilla vaurioiden havaitsemiseksi, luokittelemiseksi, paikantamiseksi ja kvantifioimiseksi. UAV‑alukset, kiipeilyrobotit ja vedenalaiset robotit voivat lisäksi kantaa optisia ja infrapunakamera‑laitteita sekä röntgenlaitteistoja.

Tutkimus päätyi siihen, että robottipohjaiset tarkastukset voivat olla erinomaisia ratkaisuja turvallisuuden parantamiseksi ja korkean kestävyyden tarjoamiseksi samalla kun hinta pysyy alhaisena.

Kun tarkastellaan näiden ratkaisujen arvoa uusiutuvan energian tuotantoteollisuudelle, useat yritykset ovat kehittäneet kaupallisia ratkaisuja tällä alalla. Seuraavassa on joitakin esimerkkejä.

Klikkaa tästä saadaksesi tietoa siitä, voiko tuuli voimaannuttaa koko maailman.

1. Aerones

Aerones on yksi maailman johtavista yrityksistä, jotka tarjoavat robottipohjaisia tuuliturbiinien huoltopalveluita. Yritys väittää hyödyntävänsä patentoituja robotiikkaratkaisujaan palvelutiimeilleen nopeampien, turvallisempien ja tehokkaampien palveluiden tarjoamiseksi tuulivoiman operaattoreille maailmanlaajuisesti.

Aeronesin tarjoama palvelukirjo tarjoaa kattavan valikoiman turbiinin elinkaaren kriittisiä palvelualueita, kuten tarkastuksia, puhdistuksia, korjauksia ja muuta. Tarkastuksissa se tarjoaa salamavalo‑suojauksen, sisä‑ ja drone‑tarkastuksen sekä salaojien puhdistuksen. Puhdistuspalveluihin kuuluu torni‑ ja lapojen puhdistus. Korjauspalveluissa Aeronesin kehittynyt robottialusta auttaa pintojen valmistelussa, täyteaineen levityksessä, hiomassa ja etureunan suojauksessa, sekä suojaavan pinnoitteen levittämisessä, joka suojaa lapojen pintaa eroosiolta vuosien ajan.

Aeronesin ainutlaatuinen robottipalvelukokonaisuus ei pyri korvaamaan ihmisiä tai ottamaan heidän työpaikkojaan. Palvelut vaativat sertifioituja teknikkoja, jotka ohjaavat työkaluja lämpimästä ajoneuvosta käsin. Robottitarkkuutensa ja -tehokkuutensa ansiosta Aeronesin palvelut vähentävät seisokkiaikaa 4‑6‑kertaisesti ja vähentävät odotusaikaa 5‑10‑kertaisesti. Sen oma järjestelmä tarjoaa korkealaatuisia robottipalveluita tuuliturbiinitekniikoille tarkastuksia, puhdistuksia, ylläpitoa ja korjauksia varten, samalla kun pilvipohjainen digitaalinen dataplatformi kerää ainutlaatuisia poikkialan datasettejä tarkastuksista, mahdollistaen älykkäiden ennalta‑huoltosuunnitelmien ja budjettien hinnoittelun.

Syyskuussa 2024 Aerones sai EU:n innovaatiorahastolta tukea, joka on suunnattu erittäin innovatiivisiin, markkinavalmiisiin, skaalautuviin ja kunnianhimoisiin infrastruktuurihankkeisiin, joiden tavoitteena on CO₂‑päästöjen vähentäminen.

Aerones sai EU:n innovaatiorahastolta 4,4 miljoonaa euroa. Projektin, heidän mukaansa, tavoitteena on suorittaa turbiinikorjauksia 18 tunnin sisällä, mikä vähentää merkittävästi seisokkiaikaa ja edistää globaaleja ilmastotavoitteita. Raporttien mukaan heidän lähestymistapaansa arvioitiin vähentävän korjaus‑seisokkeja 67 %:lla, mikä estää 161 349 tonnia CO₂‑päästöjä vuosikymmenessä ja mahdollistaa lisäsähkön tuotannon 918 320 MWh:n verran uusiutuvassa sähkössä.

Januarissa 2023 Aerones keräsi 30 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria laajentaakseen robottipohjaisia palveluitaan ja tehostaakseen toimintaansa. Rahoituskierrosta johti uusi sijoittaja Lightrock ja Haniel, ja siihen osallistuivat myös Blume Equity sekä olemassa olevat sijoittajat Change Ventures, Metaplanet ja Mantas Mikuckas.

Aerones kertoi, että varoja käytetään Aeronesin teknisten ja myyntitoimintojen kasvattamiseen, robottipalvelutiimien määrän lisäämiseen sekä uusille nopeasti kasvaville markkinoille laajentumiseen. Rahoituksen keräämisen aikaan Aeronesin robottipohjaiset ratkaisut palvelevat asiakkaita, jotka edustavat 50 %:a maailman tuulivoimakapasiteetista.

2. Bladebug

Toinen innovatiivinen yritys, joka vastaa kasvavan offshore‑tuuliteollisuuden tarpeisiin ja tekee niistä ennustettavampia ja tehokkaampia, on Bladebug. Yritys on kehittänyt edistyneitä robotteja, jotka auttavat teknikkoja turbilapojen tarkastuksessa ja korjauksessa ilman köysipääsyä. Bladebugin robottiratkaisuilla on monia etuja: ne alentavat käyttöönoton esteitä, minimoivat seisokkiajan ja estävät päällekkäisen työn.

Bladebugin ryömivät robotit voidaan ohjata näköpiirin ulkopuolelta. Niiden avulla teknikot voivat suorittaa etähuoltotöitä ilman kustannuksia ja ilman altistumista ankarille olosuhteille. Robotit ovat puoliksi autonomisia.

Toiseksi, koska robotit ovat kevyitä, niiden käyttöönotto ja käyttö on paljon nopeampaa kuin monien kilpailijoiden. Bladebugin robottiratkaisun avulla O&M‑tiimit voivat hoitaa vikoja ennen kuin perinteinen köysipääsy‑tiimi olisi käyttökelpoinen. Tämä ennalta‑huolto lisää turbiinin tehokkuutta ja maksimoi vähähiilisen energian tuotannon.

Lopuksi, sen modulaarinen rakenne varmistaa, että robotin runko voi ottaa vastaan erilaisia ei‑tuhoavia testaus‑ ja korjauslaitteita, mikä tekee siitä joustavan myös offshore‑ympäristössä.

Bladebug on saanut laajaa taloudellista tukea ja mentorointia yrityksiltä kuten Innovate UK, Catapult Offshore Renewable Energy, Imperial Enterprise Lab ja Launch Academy. Se on saanut rahoitusta kahdelta sijoittajalta: Britbots ja The Offshore Wind Growth Partnership.

3. Reblade

Huhtikuussa 2024 Global Wind Energy Council raportoi, että vuonna 2023 asennettiin ennätykselliset 117 gigawattia uutta kapasiteettia maailmanlaajuisesti. Haasteena on lisätä laitteistojen määrää ja siihen liittyvien huoltosuunnitelmien kasvua, minkä vuoksi tanskalainen yritys Reblade loi drone‑toimitetun miniatyyrikorjauslaitoksen.

Yrityksen robottipohjaiset lapakorjausratkaisut sisältävät plug‑and‑play‑järjestelmän huoltotiimeille, jonka avulla tiimit voivat ohjata ja valvoa projekteja maasta käsin. Reblade‑robotit voivat suorittaa eroosion korjauksia jokaiselle toiminnoille, puhdistuksesta hiomiseen, päällystämiseen ja turbilapojen etureunan maalaamiseen. Drone‑toimitettu korjausjärjestelmä on räätälöitävissä, ja jokainen moduuli voi toimittaa tehtäviä ja tuotteita asiakkaan tarpeiden ja toiveiden mukaisesti.

Yritys väitti, että sen robotit ovat äärimmäisen nopeita ja tehokkaita, ja että palvelutiimit pystyvät korjaamaan kaksi täyttä turbiinia yhdessä päivässä. Lisäksi sen väitettiin kestävän monenlaisissa sääolosuhteissa, ja robotit toimivat saumattomasti syrjäisissä paikoissa, mikä vähentää palveluaikaa ja -kustannuksia jopa 80 %:lla. Yrityksellä on kolme sijoittajaa, mukaan lukien Eureka Network ja European Innovation Council.

Robottiratkaisut offshore‑tuulivoimaloiden ja vuorovesiturbiinien tehostamiseksi: Tulevaisuus

Tulevina vuosina offshore‑tuulivoimaloiden ja vuorovesiturbiinien tehokkuuden parantaminen edellyttää entistä suurempia ponnistuksia tarkastus‑ ja huoltoprosessien automatisoinnissa. Nämä toimenpiteet, palvelun laadun parantamisen lisäksi, vähentävät merkittävästi turvallisuusriskejä, koska ihmiskäsien tarve vaarallisissa vedenalaisissa olosuhteissa pienenee.

Siirtyminen ihmistyövoimasta robottiratkaisuihin sisältää kauko-ohjattuja aluksia, miehittämättömiä pintavälineitä ja kehittyneempiä autonomisia vedenalaisia robotteja. Nämä teknologiat toimivat menestyksekkäästi olosuhteissa, jotka ovat ihmisille vaarallisia tai saavuttamattomia, ja ne kestävät haastavia sääolosuhteita, syvempiä vesistöjä ja pidempiä käyttöaikoja.

Tutkijat, jotka työskentelevät tällä alalla, ovat tunnistaneet useita avainalueita, jotka vaativat hienovaraisempia ratkaisuja. Esimerkiksi vedenalaiset robotit joutuvat ylläpitämään tarkkaa asemaa myrskyisissä merissä – haaste, jonka aloituspuheenvuoromme tutkimus käsittelee merkittävänä läpimurtona.

Tutkijat pohtivat myös digitaalisten kaksosten käyttöä. Koska nykyiset robotit pystyvät edistyneisiin 3D‑kartoitus‑ ja rekonstruointiteknologioihin, ne voivat luoda yksityiskohtaisia kolmiulotteisia malleja merenalaisesta infrastruktuurista. Insinöörit voivat sitten käyttää näitä “digitaalisia kaksosia” tarkkaillakseen merenelämän kertymistä turbiinifundamenteille tai tunnistaakseen mahdollisia rakenteellisia ongelmia, kaikki turvallisesti maapohjan ohjaamosta käsin.

Toinen pelin muuttava läpimurto on USV‑ ja ROV‑yhteistyön koordinointi. USV:t toimivat mobiileina tukiasemia, jotka asettavat ja koordinoivat vedenalaisia ROV‑laitteita suorittaakseen kattavia tarkastuksia tuulivoimapuistoja varten. Tällaisissa operaatioissa tiimit hyödyntävät kehittyneitä tekoäly‑ ja ohjausjärjestelmiä, jotka mahdollistavat robottiyksiköiden navigoinnin monimutkaisissa vedenalaisissa ympäristöissä poikkeuksellisella tarkkuudella ja tehokkuudella.

Arvioiden mukaan robottitarkastusjärjestelmien käyttö voi vähentää huoltotehtävien polttoaineenkulutusta jopa 97 %:lla — 7 000 litrasta päivässä vain 200 litraan.

Yhteenvetona hyödyt ovat moninaiset. Ilmastohyödyt syntyvät merkittävästi pienentyneistä hiilidioksidipäästöistä. Yritykset hyötyvät pitkällä aikavälillä, kun nämä ratkaisut laskevat uusiutuvan energian tuotannon kokonaiskustannuksia. Ja lopuksi, työntekijät, erityisesti huolto‑ ja tarkastusalan ammattilaiset, hyötyvät parantuneista turvallisuusstandardeista sekä mahdollisuudesta työskennellä merkittävästi riskittömässä työympäristössä.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista tuulivoima‑osakkeista, joihin kannattaa sijoittaa.