Forbedring av havvindparker og tidevannsturbiner ved å forutsi det uforutsigbare

Offshore fornybare energiprosjekter får betydelig oppmerksomhet over hele verden. Hvis vi ser på bare EU, er utbyggingen av havvindenergi kjernen i gjennomføringen av den europeiske grønne avtalen, som har som mål å sikre Europas konkurranseevne og energiforsyningssikkerhet.

Generelt har Europakommisjonen allerede publisert en dedikert EU‑strategi for offshore fornybar energi, som foreslår robuste tiltak for å støtte sektoren på lang sikt. Strategien setter ambisiøse mål om en installert kapasitet på minst 60 GW havvind og 1 GW havenergi innen 2030, og henholdsvis 300 GW og 40 GW innen 2050. Gode nyheter er at EU‑landene allerede har overgått målene som Kommisjonen foreslo, både på kort og lang sikt.

Det globale markedet for offshore fornybar energi vokser også raskt. Ifølge 2024 Offshore Wind Market Report publisert av National Renewable Energy Limited (NREL), økte nye offshore‑vindinstallasjoner i 2023 den globale kapasiteten til over 68 GW, fordelt på 319 driftsprosjekter som huser over 13 000 opererende turbiner.

Med flere prosjekter i ulike planleggings‑ og utviklingsstadier, beløper offshore‑vindkapasiteten i pipelinen seg til mer enn 453,6 GW, hvorav 104,4 GW kommer fra flytende strukturer.

En slik vekst i offshore‑fornybare energiregimer krever sterk støtte fra det globale FoU‑samfunnet – og den støtten er tilgjengelig. I det følgende segmentet diskuterer vi en slik innovativ utvikling: utrullingen av undervannsroboter som kan forutsi bølger i sanntid, slik at kostnadene ved å produsere offshore‑fornybar energi kan reduseres.

Ny teknologi kan gjøre vedlikehold av havvindparker og tidevannsturbiner billigere, raskere og tryggere

Forskningsarbeidet ble utført av tre forskere fra University of Edinburgh, Kyle L. Walker, Laura Beth Jordan og Francesco Giorgio‑Serchi. Dette teamet utviklet en komplett ende‑til‑ende kontrollarkitektur for forstyrrelsesavvisning under stasjonær‑holdningsoppgaver under bølgepåvirkninger, som omfatter en ikke‑lineær modell‑prediktiv kontroller (NMPC) kombinert med en deterministisk havbølge‑prediktor (DSWP). Løsningen deres har som mål å gjøre det enklere for undervannsfartøy som opererer i bølge‑dominerte miljøer, hvor forstyrrelser i stor grad påvirker fartøyets respons og utgjør en trussel mot operasjonell sikkerhet.

Enkelt sagt har forskerne utviklet verktøy – både beregnings‑ og eksperimentelle – som gir autonome roboter muligheten til å holde en stabil posisjon midt i uregelmessige, kraftige bølger. Universitetets FloWave‑testtank fungerte som prøvested for eksperimentet. For data brukte de innsikter fanget av en bøye i Nordsjøen for å etterligne de forholdene robotene kan møte.

Systemet bruker enheter festet til havbunnen for å måle retning og høyde på innkommende bølger og overfører informasjonen i sanntid til en robot i nærheten, slik at den ubemannede maskinen kan forutse komplekse fremtidige forstyrrelser i vannet og motvirke dem for å opprettholde en stabil posisjon.

Fordelene med teknologien

Kilde: The University of Edinburgh

Stabile ubemannede roboter plassert offshore vil utføre den komplekse oppgaven med rutinemessig vedlikehold til lavere kostnad, noe som reduserer den samlede kostnaden for å generere fornybar energi, som ofte er dyrere enn fossile brensler. Utplasseringen av slike roboter og deres stabilitet vil også sikre forenklede operasjoner som ikke krever skip, helikoptre eller løfteutstyr.

Forskere påpeker at deres nye løsning er bedre enn konvensjonelle kontrollsystemer.

“Ved å danne en prediksjon av fremtidige bølgeforstyrrelser og integrere dette i kontrollsystemet, kan vi utvide dette området med liten eller ingen endring av robotens maskinvare. Når det gjelder å overføre denne teknologien til feltet, er dette en enorm fordel og gjør systemet vårt anvendelig på de fleste kjøretøy som for tiden er tilgjengelige på markedet.”

I tillegg har testresultatene vist at systemet har høy kompatibilitet med roboter som opererer på store dybder nær overflaten, hvor forstyrrelsene føles svært sterkt.

I fremtiden ønsker forskerne å gi løsningen større autonomi slik at den kan utføre presise oppgaver, som å oppdage rust eller reparere elektrisk utstyr uten å bli ustabil.

“Å videreutvikle denne teknologien kan bidra til et gjennombrudd i adopsjonen av ubemannede roboter til sjøs og drastisk øke graden av automatisering i offshore‑sektoren.”

Samtidig som denne forskningen gjør offshore‑fornybar energiproduksjon billigere og mer effektiv, må vi huske at forskningen på dette feltet har pågått lenge. I 2022 publiserte for eksempel tre forskere, Y. Liu, M. Hajj og Y. Bao, en gjennomgang av robotbasert skadekartlegging for offshore‑vindturbiner (OWT). Nedenfor følger noen av de viktigste funnene fra gjennomgangen.

Klikk her for å lære om stillestående vindenergigenererende turbinateknologi.

Utplassering av roboter for å vurdere skader på offshore‑vindturbiner

Forskningen understreket at roboter kan utføre automatisert tilstandsvurdering av offshore‑vindturbiner. Den undersøkte mulighetene for å bruke UAV‑er, klatrende roboter og undervannsroboter for overvåking, samt bruk av fotografi, termografi og røntgenavbildning for å oppdage avvik.

Offshore‑vindturbiner lider under mange faktorer, inkludert tøffe miljøer hvor dynamiske og ekstreme belastninger stadig påvirker sikkerhet og levetid. Installasjons‑ og vedlikeholdskostnadene øker, noe som fører til en oppsving i kostnadene for fornybar energiproduksjon generelt. I tillegg er det risiko for materialnedbrytning forårsaket av havets saltsjø.

Forskningen viser at de siste fremskrittene innen robotteknologi og intelligente algoritmer kan hjelpe med å vurdere skadeomfanget i OWT‑er. En robot utstyrt med et NDE‑apparat kan fjernstyres eller automatiseres for å inspisere OWT‑er, og dataene fra disse NDE‑enhetene kan analyseres med intelligente algoritmer for skadedeteksjon, klassifisering, lokalisering og kvantifisering. UAV‑er, klatrende roboter og undervannsroboter kan ytterligere bistå ved å bære enheter som optiske og infrarøde kameraer samt røntgenutstyr.

Forskningen konkluderte med at robotbaserte inspeksjoner kan være gode løsninger for å øke sikkerheten og tilby høy robusthet samtidig som prisen holdes lav.

Ser man på verdien disse løsningene gir til fornybar energiproduksjon, har flere selskaper utviklet kommersielle løsninger på dette området. Nedenfor er noen eksempler.

Klikk her for å lære om vind kan drive verden.

1. Aerones

Aerones er en av de globale lederne blant selskaper som tilbyr robotbaserte tjenester for vedlikehold av vindturbiner. Selskapet hevder at de utnytter sin patenterte robotteknologi for å levere raskere, tryggere og mer effektive tjenester til vindoperatører over hele verden.

Omfanget av tjenestene som Aerones tilbyr dekker alle kritiske serviceområder i en turbinens livssyklus, inkludert inspeksjon, rengjøring, reparasjon og mer. For inspeksjon tilbyr de lynbeskyttelse, intern og drone‑inspeksjon, samt rengjøring av dreneringshull. Innen rengjøring utfører Aerones tårn‑ og bladrengjøring. For reparasjon hjelper Aerones’ svært sofistikerte robotplattform med overflateforberedelse, påføring av fyllstoff, sliping og beskyttelse av forkant, ved å påføre beskyttende belegg som beskytter bladoverflaten mot erosjon i flere år.

Aerones’ unike sett av robottjenester er ikke ment å erstatte mennesker eller ta bort jobber fra dem. Det kreves sertifiserte teknikere som kontrollerer verktøyene fra et varmt kjøretøy. På grunn av deres robotpresisjon og effektivitet minimerer Aerones’ tjenester nedetid med 4‑6 ganger og reduserer inaktiv tid med 5‑10 ganger. Deres proprietære system leverer høykvalitets robottjenester til vindturbinteknikere for inspeksjon, rengjøring, vedlikehold og reparasjoner, mens deres skybaserte digitale dataplattform samler unike tverrindustrielle datasett fra inspeksjoner, noe som muliggjør effektiv prising av smartere forebyggende vedlikeholdsplaner og budsjetter.

I september 2024 sikret Aerones støtte fra innovasjonsfondet som er ment for svært innovative, markedsklare, skalerbare og ambisiøse infrastrukturprosjekter rettet mot reduksjon av CO₂‑utslipp.

Aerones mottok €4,4 millioner fra EU‑s innovasjonsfond. Prosjektet, ifølge dem, har som mål å utføre turbink reparasjoner innen 18 timer, noe som betydelig minimerer nedetid og bidrar til globale klimamål. Ifølge rapporter ble deres tilnærming anslått å redusere reparasjonsnedetiden med 67 %, unngå 161 349 tonn CO₂‑utslipp over et tiårsperiod, og muliggjøre produksjon av ytterligere 918 320 MWh fornybar elektrisitet.

I januar 2023 reiste Aerones US$30 millioner for å skalere sine robotbaserte tjenester og øke effektiviteten. Finansieringsrunden ble med‑ledet av nye investorer Lightrock og Haniel, med deltakelse fra Blume Equity samt eksisterende investorer Change Ventures, Metaplanet og Mantas Mikuckas, blant andre.

Aerones oppga at midlene vil bli brukt til å styrke selskapets tekniske og salgsfunksjoner, øke antall robotservice‑team og ekspandere inn i nye, raskt voksende markeder. På tidspunktet for kapitalinnhentingen betjente Aerones’ portefølje av robotbaserte løsninger kunder som representerte 50 % av verdens totale vindkraftkapasitet.

2. Bladebug

Et annet innovativt firma som adresserer behovene i den første voksende offshore‑vindindustrien og gjør dem forutsigbare og effektive, er Bladebug. Selskapet har utviklet avanserte roboter som bistår teknikere i inspeksjon og reparasjon av turbink blader, uten behov for tau‑tilgang. Det er mange fordeler med Bladebugs robotløsninger. De reduserer adopsjonsbarrierer, minimerer nedetid og forhindrer duplisering av innsats.

Bladebugs krabbende roboter kan betjenes utenfor synslinjen. Med deres hjelp kan teknikere fjernstyre vedlikeholdsoppgaver uten de tilhørende kostnadene og uten å bli utsatt for tøffe forhold. De er delvis autonome.

For det andre, siden de er lette, er utrullingshastigheten og brukervennligheten mye høyere enn hos mange konkurrenter. Gjennom Bladebugs robotløsning kan O&M‑team behandle feil før det ville vært levedyktig å bruke tradisjonelle tau‑tilgangsteam. Dette forebyggende vedlikeholdet øker turbinenes effektivitet og maksimerer den lavkarbon‑energien som genereres.

Til slutt sikrer deres modulære design at robotkroppen kan ta imot ulike ikke‑destruktive test‑ og reparasjonsutstyr, noe som gjør den fleksibel også offshore.

Bladebug har mottatt omfattende økonomisk støtte og veiledning fra selskaper som Innovate UK, Catapult Offshore Renewable Energy, Imperial Enterprise Lab og Launch Academy. De er finansiert av to investorer: Britbots og The Offshore Wind Growth Partnership.

3. Reblade

I mai 2024 rapporterte Global Wind Energy Council at en rekord på 117 gigawatt ny kapasitet ble installert globalt i 2023. På grunn av utfordringen med å installere mer maskinvare og en økning i tilhørende vedlikeholdsplaner, opprettet det danske selskapet Reblade en drone‑leveret miniatyr reparasjonsfabrikk.

Selskapets robotbaserte bladreparasjonsløsninger inkluderer plug‑and‑play for vedlikeholdsteam som gjør det mulig for team å instruere og overvåke prosjekter fra bakken. Reblades roboter kan utføre erosjonsreparasjoner med en robot for hver aktivitet, fra rengjøring og sliping til påføring av belegg og maling av turbinkbladenes forkant. Drone‑leverte reparasjonssystemet var tilpassbart, med hver modul i stand til å levere oppgaver og produkter spesifikke for hver kundes preferanser og behov.

Selskapet hevdet at robotene deres var ekstremt raske og effektive, med service‑team som fullførte reparasjoner på to hele turbiner i løpet av én dag. De påsto også at løsningene deres kunne tåle en rekke værforhold, med robotene som arbeidet sømløst i avsidesliggende områder, og reduserte servicetid og kostnader med opptil 80 %.

Reblade har tre investorer, inkludert Eureka Network og European Innovation Council.

Robotløsninger for å forbedre offshore‑vindparker og tidevannsturbiner: Fremtiden

I de kommende dagene vil økt effektivitet i offshore‑vindparker og tidevannsturbiner kreve større innsats for å automatisere inspeksjons‑ og vedlikeholdsprosesser. Disse aspektene, i tillegg til å forbedre tjenestekvaliteten, vil også redusere sikkerhetsbekymringer betydelig ved å minske behovet for menneskelige dykkere i farlige undervannsmiljøer.

Overgangen fra menneskelig innsats til robotløsninger vil involvere fjernstyrte kjøretøy, ubemannede overflatefartøy og mer sofistikerte autonome undervannsroboter. Disse teknologiene vil operere vellykket under forhold som er farlige eller utilgjengelige for mennesker, og fungere under et bredt spekter av utfordrende værforhold, på større dybder og over lengre perioder.

Forskere som arbeider innen dette feltet har identifisert flere nøkkelområder som krever mer nyanserte løsninger. For eksempel må undervannsroboter opprettholde presis posisjonering i turbulente hav – en utfordring som forskningen vi startet diskusjonen med adresserer som et betydelig gjennombrudd.

Forskere vurderer også bruk av digitale tvillinger. Siden dagens roboter kan utføre avansert 3D‑kartlegging og rekonstruksjon, kan de lage detaljerte tredimensjonale modeller av undervannsinfrastruktur. Ingeniører kan deretter bruke disse «digitale tvillingene» til å overvåke opphopning av marint liv på turbinkfundamenter eller identifisere potensielle strukturelle problemer, alt fra sikkerheten i landbaserte kontrollrom.

Et annet banebrytende gjennombrudd er koordinert bruk av USV‑er og ROV‑er. USV‑er fungerer som mobile basestasjoner, distribuerer og koordinerer med undervanns‑ROV‑er for å utføre omfattende inspeksjoner av vindpark‑infrastruktur. Team som gjennomfører slike operasjoner drar nytte av avansert AI og kontrollsystemer, som gjør at disse robotenhetene kan navigere komplekse undervannsmiljøer med bemerkelsesverdig presisjon og effektivitet.

Ifølge estimater kan bruk av robotinspeksjonssystemer redusere drivstofforbruket for vedlikeholdsmisjoner med opptil 97 %—fra 7 000 liter per dag til kun 200 liter.

Oppsummert er fordelene mange. Klimafordelene kommer fra betydelig reduserte karbonutslipp. Selskapene drar nytte på lang sikt ettersom disse løsningene senker den samlede kostnaden for fornybar energiproduksjon. Og til slutt får de ansatte, spesielt de som jobber med vedlikehold og inspeksjon, forbedrede sikkerhetsstandarder og muligheten for en betydelig risikofri arbeidsforhold.

Klikk her for en liste over de beste vindkraftaksjene å investere i.