Förbättra havsbaserade vindkraftparker och tidvattenkraftverk genom att förutsäga det oförutsägbara

Offshore-projekt för förnybar energi får allt större genomslag världen över. Om vi ser enbart på Europeiska unionen är utbyggnaden av havsbaserad vindenergi kärnan i genomförandet av den europeiska gröna given, som syftar till att säkerställa Europas konkurrenskraft och energiförsörjningens säkerhet.

EU-kommissionen har redan publicerat en särskild EU‑strategi för offshore‑förnybar energi, som föreslår robusta åtgärder för att stödja sektorns långsiktiga hållbara utveckling. Strategin sätter ambitiösa mål för installerad kapacitet på minst 60 GW havsbaserad vind och 1 GW havsenergi till 2030, samt 300 GW respektive 40 GW till 2050. Den goda nyheten är att EU‑länderna redan har överträffat de mål som kommissionen föreslog, både på kort och lång sikt.

Den globala marknaden för offshore‑förnybar energi växer också snabbt. Enligt 2024 Offshore Wind Market Report som publicerats av National Renewable Energy Limited (NREL) ökade nya offshore‑vindinstallationer år 2023 den globala kapaciteten till över 68 GW, fördelade på 319 driftande projekt som har mer än 13 000 fungerande turbiner.

Med ytterligare projekt i olika planerings- och utvecklingsstadier uppgår den planerade kapaciteten för offshore‑vindenergi till mer än 453,6 GW, varav 104,4 GW kommer från flytande strukturer.

En sådan tillväxt inom offshore‑förnybar energi kräver starkt stöd från det globala FoU‑samhället – och detta stöd finns tillgängligt. I följande avsnitt diskuterar vi en sådan innovativ utveckling: användningen av undervattensrobotar som kan förutsäga vågor i realtid så att kostnaden för att producera offshore‑förnybar energi kan minskas.

Ny teknik kan göra underhåll av offshore‑vindparker och tidvattenkraftverk billigare, snabbare och säkrare

Forskningen utfördes av tre forskare vid University of Edinburgh, Kyle L. Walker, Laura Beth Jordan och Francesco Giorgio‑Serchi. Detta forskarlag utvecklade en komplett end‑to‑end‑styrarkitektur för störningsavstötning under station‑keeping‑uppgifter under vågperturbationer, som omfattar en icke‑linjär modell‑prediktiv styrning (NMPC) kombinerad med en deterministisk havsvågs‑prediktor (DSWP). Deras lösning syftar till att underlätta för undervattensfarkoster som opererar i vågdominerade miljöer, där störningar starkt påverkar farkostens respons och utgör ett hot mot driftsäkerheten.

Enkelt uttryckt har forskarna tagit fram verktyg – både beräkningsmässiga och experimentella – som ger autonoma robotar möjlighet att hålla en stabil position mitt i oregelbundna, skakiga vågor. Universitetets FloWave‑testtank användes som provplats för experimentet. För data använde de insikter som fångats av en boja i Nordsjön för att efterlikna de förhållanden som robotarna kan arbeta i.

Systemet använder enheter som är förankrade i havsbotten för att mäta riktning och höjd på inkommande vågor och överföra informationen i realtid till en robot som arbetar i närheten, vilket gör att den obemannade maskinen kan förutse komplexa framtida störningar i vattnet och motverka dem för att behålla en stabil position.

Fördelarna med tekniken

Källa: The University of Edinburgh

Stabila obemannade robotar placerade offshore skulle utföra den komplexa uppgiften med rutinunderhåll till en lägre kostnad, vilket minskar den totala kostnaden för att producera förnybar energi, som saknar konkurrensfördel eftersom den vanligtvis är mycket dyrare än fossila bränslen. Utplaceringen av sådana robotar och deras stabilitet skulle också möjliggöra förenklade operationer som inte kräver fartyg, helikoptrar eller lyftutrustning.

Forskare framhäver att deras nya lösning är bättre än de konventionella styrsystemen.

För att utveckla vilken typ av förbättring dessa styrsystem har genomgått, hade Dr. Kyle Walker, en av de tre forskarna, följande att säga:

“Genom att skapa en förutsägelse av framtida vågstörningar och integrera den i styrsystemet kan vi utöka detta område med liten eller ingen förändring av robotens hårdvara. När det gäller att överföra denna teknik till fältet är detta en enorm fördel och gör vårt system tillämpligt på de flesta fordon som för närvarande finns på marknaden.”

Dessutom har provresultaten visat att systemet har hög kompatibilitet med robotar som opererar på stora djup nära ytan där störningarna känns mycket starkt.

I framtiden är forskarna angelägna om att ge lösningen större autonomi så att den kan utföra precisa uppgifter där den kan upptäcka rost eller reparera elektrisk utrustning utan att bli instabil.

När han talade om de fördelar som denna tekniks utveckling kan medföra sade Dr Francesco Gorgio‑Serchi:

“Att driva denna teknik vidare kan bidra till ett stegvis skifte i antagandet av obemannade robotar till havs och drastiskt öka graden av automatisering i offshore‑sektorn.”

Även om denna forskning gör produktionen av offshore‑förnybar energi billigare och mer effektiv, måste vi komma ihåg att forskningen inom detta område har pågått under en lång tid. År 2022 publicerade till exempel tre forskare, Y. Liu, M Hajj och Y. Bao, en översikt av robotbaserad skaderapportering för offshore‑vindkraftverk eller OWT. Nedan följer några av de avgörande aspekterna av översiktens resultat.

Klicka här för att lära dig om stillastående vindkraftverksteknologi.

Användning av robotar för att bedöma skador på offshore‑vindkraftverk

Forskningen underströk att robotar kan utföra den automatiserade tillståndsbedömningen av offshore‑vindkraftverk. Den undersökte möjligheterna att använda UAV‑drönare, klättringsrobotar och undervattensrobotar för övervakning samt användning av fotografi, termografi och röntgenavbildning för att upptäcka avvikelser.

Offshore‑vindkraftverk drabbas av många faktorer, inklusive hårda miljöer där dynamiska och extrema belastningar påverkar deras säkerhet och livslängd. Installations- och underhållskostnaderna ökar, vilket leder till en ökning av kostnaden för produktion av förnybar energi totalt sett. Dessutom finns risken för materialnedbrytning på grund av havets saltvatten.

Forskningen visar att de senaste framstegen inom robotteknik och intelligenta algoritmer kan hjälpa till att bedöma skadestatus i OWT. Medan en robot utrustad med en NDE‑enhet kan fjärrstyras eller automatiseras för att inspektera OWT, kan de data som erhålls från dessa NDE‑enheter analyseras med intelligenta algoritmer för skadedetektion, klassificering, lokalisering och kvantifiering. UAV‑drönare, klättringsrobotar och undervattensrobotar kan dessutom assistera genom att bära utrustning såsom optiska och infraröda kameror samt röntgenutrustning.

Forskningen drog slutsatsen att robotbaserade inspektioner kan vara utmärkta lösningar för att förbättra säkerheten och erbjuda en hög grad av robusthet samtidigt som priset hålls lågt.

När man ser på det värde som dessa lösningar erbjuder för industrin för förnybar energiproduktion har flera företag utvecklat kommersiella lösningar inom detta område. Nedan följer några exempel.

Klicka här för att lära dig om vind kan driva världen.

1. Aerones

Aerones är en av de globala ledarna bland företag som erbjuder robotbaserade underhållstjänster för vindkraftverk. Företaget påstår att de utnyttjar sin patenterade robotteknik för sina serviceteam för att leverera snabbare, säkrare och mer effektiva tjänster till vindoperatörer världen över.

Omfattningen av tjänster som Aerones erbjuder täcker alla viktiga serviceområden i en turbins livscykel, inklusive inspektion, rengöring, reparation och mer. För inspektion tillhandahåller de blixtskydd, intern och drönarinspektion samt rengöring av dräneringshål. Vid rengöring utför Aerones torn- och bladrengöring. För reparations tjänster hjälper Aerones mycket sofistikerade robotplattform med ytförberedelse, fyllningsapplicering, slipning och skydd av framkant, genom att applicera skyddsbeläggning för att skydda bladytan mot erosion i flera år framöver.

Aerones unika uppsättning av robottjänster är inte avsedd att ersätta människor eller ta deras jobb. Det krävs certifierade tekniker som styr verktygen från ett varmt fordon. På grund av deras robotprecision och effektivitet minskar Aerones tjänster driftstopp med 4–6 gånger och minskar stillestånd med 5–10 gånger. Deras proprietära system levererar högkvalitativa robottjänster till vindkraftverkstekniker för inspektioner, rengöring, underhåll och reparationer, medan deras molnbaserade digitala dataplattform samlar unika tvärindustriella dataset från inspektioner, vilket möjliggör effektiv prissättning av smartare förebyggande underhållsplaner och budgetar.

I september 2024 säkrade Aerones stöd från ett innovationsfond som tillhandahålls för höginnovativa, marknadsklara, skalbara och ambitiösa infrastrukturprojekt med målet att minska CO₂‑utsläpp.

Aerones fick 4,4 miljoner euro från EU:s innovationsfond. Projektet, förklarade de, syftar till att utföra turbinkorrigeringar inom 18 timmar, vilket avsevärt minskar driftstopp och bidrar till globala klimatmål. Enligt rapporter beräknas deras metod leda till en minskning av reparations‑driftstopp med 67 %, undvika 161 349 ton CO₂‑utsläpp under ett decennium och möjliggöra produktionen av ytterligare 918 320 MWh förnybar el.

I januari 2023 samlade Aerones in 30 miljoner US‑dollar för att skala sina robotbaserade tjänster och driva effektivitet. Finansieringsrundan leddes gemensamt av nya investerare Lightrock och Haniel, med deltagande från Blume Equity och befintliga investerare Change Ventures, Metaplanet och Mantas Mikuckas, bland andra.

Aerones uppgav att fonden skulle användas för att utveckla Aerones tekniska och försäljningsfunktioner, öka antalet robotserviceteam och expandera till nya snabbt växande marknader. Vid tidpunkten för kapitalanskaffningen levererade Aerones sortiment av robotbaserade lösningar redan till kunder som representerade 50 % av världens vindkraftkapacitet.

2. Bladebug

Ett annat innovativt företag som adresserar behoven i den snabbt växande offshore‑vindindustrin och gör dem förutsägbara och effektiva är Bladebug. Företaget har utvecklat avancerade robotar för att assistera tekniker vid inspektion och reparation av turbinklubbor, utan behov av repåtkomst. Det finns många fördelar med Bladebugs robotlösningar. De minskar hinder för antagande, minskar driftstopp och förhindrar dubbelarbete.

Bladebugs krypande robotar kan styras utan synlinje. Med deras hjälp kan tekniker på distans utföra underhållsuppgifter utan de tillhörande kostnaderna och utan att utsättas för hårda förhållanden. De är semi‑autonoma.

För det andra, eftersom den är lättviktig, är utrullningshastigheten och användarvänligheten mycket högre än många av dess konkurrenter. Genom Bladebugs robotlösning kan O&M‑team behandla defekter innan det skulle vara möjligt att använda ett traditionellt repåtkomstteam. Detta förebyggande underhåll ökar turbinen effektivitet och maximerar den låga koldioxidenergi som genereras.

Slutligen säkerställer dess modulära design att robotkroppen kan ta emot olika icke‑destruktiva test- och reparationsutrustningar, vilket gör den flexibel offshore.

Bladebug har fått omfattande finansiellt stöd och mentorskap från företag som Innovate UK, Catapult Offshore Renewable Energy, Imperial Enterprise Lab och Launch Academy. Det finansieras av två investerare: Britbots och The Offshore Wind Growth Partnership.

3. Reblade

I maj 2024 rapporterade Global Wind Energy Council att ett rekord på 117 gigawatt ny kapacitet installerades världen över 2023. På grund av utmaningen att installera mer hårdvara och en ökning av tillhörande underhållsplaner skapade det danska företaget Reblade en drönarlevererad miniatyr reparationsfabrik.

Företagets robotbaserade bladreparationslösningar inkluderar plug‑and‑play för underhållsteam som gör det möjligt för team att instruera och övervaka projekt från marken. Reblades robotar kan utföra erosionreparationer med en robot för varje aktivitet, från rengöring och slipning till beläggning och målning av turbinklubbens framkant. Det drönarlevererade reparationssystemet var anpassningsbart, där varje modul kunde leverera uppgifter och produkter specifika för varje kunds preferenser och behov.

Företaget påstod att dess robotar var extremt snabba och effektiva, med serviceteam som slutförde reparationer på två hela turbiner på en dag. Det påstod också att dess lösningar kunde klara en mängd väderförhållanden, där robotarna fungerade sömlöst på avlägsna platser, vilket minskade servicetid och kostnader med upp till 80 %. Företaget har tre investerare, inklusive Eureka Network och European Innovation Council.

Robotlösningar för att förbättra offshore‑vindparker och tidvattenkraftverk: Framtiden

Under de kommande dagarna kommer förbättrad effektivitet i offshore‑vindparker och tidvattenkraftverk att kräva större insatser för att automatisera inspektions‑ och underhållsprocesser. Dessa aspekter, förutom att förbättra servicekvaliteten, kommer också att avsevärt minska säkerhetsriskerna genom att minska behovet av mänskliga dykare i farliga undervattensmiljöer.

Övergången från mänskliga insatser till robotlösningar kommer att innebära fjärrstyrda fordon, obemannade ytfarkoster och mer sofistikerade autonoma undervattensrobotar. Dessa teknologier kommer att fungera framgångsrikt i förhållanden som är farliga eller otillgängliga för människor, och operera under en rad utmanande väderförhållanden, på större djup och under längre perioder.

Forskare som arbetar inom detta område har identifierat flera nyckelområden som kräver mer nyanserade lösningar. Till exempel måste undervattensrobotar upprätthålla exakt positionering i turbulenta hav – en utmaning som den forskning vi inledde med adresserar som ett betydande genombrott.

Forskare överväger också användningen av digitala tvillingar. Eftersom dagens robotar kan avancerad 3D‑kartläggning och rekonstruktions‑teknik, kan de skapa detaljerade tredimensionella modeller av undervattensinfrastruktur. Ingenjörer kan sedan använda dessa ”digitala tvillingar” för att övervaka ansamlingen av marint liv på turbinstöd eller för att identifiera potentiella strukturella problem, allt från säkerheten i landbaserade kontrollrum.

Ett annat banbrytande genombrott inom detta område är den koordinerade användningen av USV‑farkoster och ROV‑farkoster. USV‑farkoster fungerar som mobila basstationer, som distribuerar och koordinerar med undervattens‑ROV för att utföra omfattande inspektioner av vindparkens infrastruktur. Team som genomför sådana operationer drar nytta av avancerad AI och styrsystem, vilket gör att dessa robotenheter kan navigera i komplexa undervattensmiljöer med anmärkningsvärd precision och effektivitet.

Enligt uppskattningar kan användningen av robotiska inspektionssystem minska bränsleförbrukningen för underhållsuppdrag med upp till 97 % — från 7 000 liter per dag till endast 200 liter.

Sammanfattningsvis är fördelarna många. Klimatfördelarna kommer från avsevärt minskade koldioxidutsläpp. Företagen drar nytta på lång sikt eftersom dessa lösningar sänker den totala kostnaden för produktion av förnybar energi. Och slutligen får de anställda, särskilt de som arbetar med underhåll och inspektion, förbättrade säkerhetsstandarder och möjligheten till en avsevärt riskfri arbetsmiljö.

Klicka här för en lista över de bästa vindkraftaktierna att investera i.