AAU Vind - Problemblembaseret forskning by AAU Energy

AAU VIND PROBLEMBASERET FORSKNING AALBORG UNIVERSITET

2 W I N D E N E R G Y R E S E A R C H A T A A U

AALBORG UNIVERSITET: DIN STÆRKE INNOVATIONSPARTNER FORORD:

Aalborg Universitet er placeret midt i et levende vindenergilaboratorium, meget tæt på både Siemens Wind Power med verdens største vindmøllevingefabrik og Bladt Industries, der er producent af havmøllefundamenter. Fra vores grundlæggelse i 1974 og til i dag har Aalborg Universitet været med til at fremme den grønne dagsorden og udvikle mere sikre og mere effektive løsninger. Vores forskning har været afgørende for, at Danmark i dag er det europæiske land, som producerer den højeste andel vindenergi i forhold til vores samlede elforbrug. I 2013 kom mere end 33 pct. af elektriciteten fra vindmøller, og 656 nye vindmøller blev sluttet til el-nettet. Lidt flere end halvdelen af dem stod på vandet. Vindenergi er gået fra alternativ til mainstream på verdensplan – fra ren idealisme til big business, og Aalborg Universitet er i høj grad dagsordensættende på den udvikling, vi

er vidne til i øjeblikket, hvor vindenergi er ved at blive en afgørende driver for vækst. Selvom vindenergi er at betragte som en moden teknologi med et stort økonomisk potentiale, er det ingen hemmelighed, at vindmøllebranchen oplever et voldsomt pres for en reduktion af Cost of Energy. Produktion og distribution af vindenergi skal blive bedre, mere sikker og billigere, og det kræver vedvarende udvikling af innovative løsninger. Det stiller krav til industrien såvel som til leverandører til industrien. I den proces er Aalborg Universitet en globalt orienteret partner, der tilbyder world-class forskning, unik tradition for innovativt samarbejde med lokale og internationale virksomheder og uddannelse af en ingeniørarbejdskraft, der er nøje afstemt med virksomhedernes behov.

I tråd med den generelle internationalisering af energisystemer og -markeder har AAU gennem mange år haft et stærkt engagement i internationale projekter og netværksorganisationer, ligesom der er tætte bånd til den globale vindmølleindustri i Nordeuropa, herunder ikke blot producenterne VESTAS og Siemens Wind Power, men også energiselskaber som f.eks. DONG Energy. Herfra skal der lyde en særlig opfordring til, at store som små virksomheder lader sig inspirere af dette katalog over anvendt vindforskning til at søge samarbejde med Aalborg Universitet.

Eskild Holm Nielsen I Dekan Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet

PROBLEMBASERET FORSKNING

VINDFORSKNING SAMLER VIDEN FRA MANGE FORSKNINGSOMRÅDER Der er mange penge på spil, når en vindmølle skal produceres, sættes op, i drift og forbindes til elnettet. I dag koster det f.eks. op til 30% af prisen på vindenergien, at en offshore vindmølle går i stykker og skal repareres. Forskningen på Aalborg Universitet hjælper branchen med at undgå langvarige reparationer og dyre regninger.

Forskningen i ”præventiv vedligehold” er blot et af mange projekter, som professor på Institut for Byggeri og Anlæg, John Dalsgaard Sørensen, er med til at holde styr på. Det er helt afgørende, at forskningen indenfor dette område lykkes, hvis vindmøllebranchens målsætninger om reduktioner af omkostningerne ved produktion af vindmølleenergien skal reduceres med op til 50 % i 2020 sammenlignet med 2010. - Vores forskning handler om risikobaserede metoder til at planlægge, eller det man kalder ”præventiv vedligehold”. Det handler om, hvornår vi med fordel kunne vedligeholde vindmøllen, når der er vejr og vind til det, i stedet for at vente til den går i stykker, hvor det så måske kan tage uger at få den repareret på grund af dårligt vejr, fortæller John Dalsgaard Sørensen. Forskningen sker i et tæt samarbejde med medlemmer af vindmølleindustrien i både Danmark og udlandet og foregår i forbindelse med bl.a. en række nationale og internationale forskningsprojekter. Forskningen finansieres af bl.a. EU, Forskningsrådene, Højteknologifonden, EUDP og af vindmølleindustrien direkte.

4 P R O B L E M B A S E R E T F O R S K N I N G

- Man kan næsten ikke få forskningsmidler, med mindre der er industri indblandet. Virksomheden tager sig typisk af den kommercielle del, mens AAU leverer forskningen. Jeg er i øjeblikket engageret i flere projekter med pålidelighed og drift & vedligehold af vindmøllevinger, hvor Dong, Vattenfall og E.ON er involveret. Vi er også med i et nordjysk industrinetværk, Hub North, hvor AAU spiller en central rolle i at øge samarbejdet med små og mellemstore virksomheder, fortæller John Dalsgaard Sørensen. Omkring 200 akademikere på Aalborg Universitet er involveret i en række forskellige områder indenfor vindenergiforskning, heraf ca. 80 PhDstuderende. Resten er fastansat personale samt Post.Docs. og projektansatte akademikere Overblik over vindteknologiforskning på AAU På Institut for Mekanik og Produktion forskes der i kompositter, herunder hvordan styrken af vindmøllevinger kan beregnes. På Institut for Energiteknik fokuseres der bl.a. på effektelektronik, reguleringen af selve vindmøllen og af det overordnede elnet, mens der på Institut for Elektroniske Systemer, Sektionen for Au-

tomatisering, forskes i kontrol af bl.a. vinger og vindmølleparker. - På Institut for Energiteknik arbejder forskerne med hele problematikken omkring net tilslutning og planlægger de overordnede rammer for, hvordan man får al energien ud til forbrugerne. Her kommer Institut for Planlægning ind i billedet. De arbejder både med miljøkravene for opstilling af vindmøller og med integration af vindmøllestrøm med andre energiformer. På Institut for Byggeri og Anlæg forsøger vi at dimensionere bl.a. fundamenter og vindmølletårne til at kunne klare de belastninger, naturkræfterne udsætter maskinerne for. Vi forsker i, hvilken sikkerhed og pålidelighed møllerne skal have. På Institut for Mekanik og Produktion forskes i løsning af de mange logistiske aspekter ved fremstilling, installation og drift, siger John Dalsgaard Sørensen. ∞ John Dalsgaard Sørensen | Professor

Institut for Byggeri og Anlæg Tlf : 9940 8581 Mail : jds@civil.aau.dk

PROBLEMBASERET FORSKNING

VINDMØLLEINDUSTRIEN:

50 % NEDBRINGELSE AF COST OF ENERGY I 2020 Der er mange faktorer på spil, fra en vindmølle bliver produceret, og til den er sat op. Selve konstruktionen skal have en høj pålidelighed, så vindmøllen ikke går i stykker i første storm. Det er især udgifterne til vindmøllens levetidsomkostninger, der skal reduceres. Driftsomkostningerne udgør typisk 25-30 prc. af Cost of Energy.

Udgifterne til danske vindmøller er for høje. En rapport fra Megavind, et partnerskab mellem forskningsinstitutioner og industri i Danmark inden for vindenergi, påpeger, at Cost of Energy på vindmøller skal reduceres med 50 prc. fra 2010-2020. John Dalsgaard Sørensen, professor på Institut for Byggeri og Anlæg på Aalborg Universitet (AAU), forsker i risikoanalyse med fokus på håndtering af usikkerheder og pålidelighed af vindmøller og på metoder til estimering af driftsomkostningerne i vindmøllens levetid. Målet med forskningen er at finde strategier og løsninger på problemstillingen, der kan nedbringe Cost of Energy på danske vindmøller. - Jo mere materiale, man kommer i konstruktionen, jo dyrere og mere sikker bliver vindmøllen generelt. Ser man på, hvor stor pålidelighed selve vindmøllen skal have kontra udgifterne til materialer og produktion, så skal man også tage hensyn til, at der kommer en driftsfase med udgifter til service, inspektioner og reparationer, hvis vindmøllerne ikke er pålidelige nok. Grundlæggende handler det om optimering af hvilket sikkerhedsniveau man skal kræve versus konsekvenserne af at få svigt i vindmøllekomponenterne, bl.a. vinger, tårn og fundament. Dertil kommer betydningen af pålideligheden af kontrolsystemet og alle de elektriske og mekaniske komponenter, der er inden i selve nacellen. Hvis de går i stykker, så stopper vindmøllen og kan ikke producere strøm. Det koster penge, siger John Dalsgaard Sørensen. Statistik, sandsynlighedsregning og måleinstrumenter Målinger på bestemte lokationer og komplicerede matematiske formler baseret på statistik og sandsynlighedsregning anvendt i praksis skal sikre,

6 P R O B L E M B A S E R E T F O R S K N I N G

at fremtidens vindmøller bliver mere økonomiske. På Institut for Byggeri og Anlæg forskes der både i pålidelighed og risikovurdering, men også i at modulere vindforholdene. - Når man ganger svigtsandsynligheden med konsekvensen i kroner, så har man det, man overordnet forstår ved risiko, hvilket man gerne vil minimere. Ved siden af vores matematiske formler er der opsat mange måleinstrumenter på vindmøller for bl.a. at få et overblik over vindbelastningen. Jo flere målinger man har, jo mindre sikkerhedsfaktorer behøver vi at anvende. Ser vi på problemstillingen med nedbringelse af Cost of Energy, så er en af de store udfordringer, at mange af de bedste pladser for offshore vindmøller er taget, så nu skal møllerne opsættes længere væk på endnu dybere vand, hvilket stiller endnu større sikkerhedsudfordringer. Det er en balance på en vægtstang, om man skal producere en billig vindmølle med relativt lille pålidelighed, hvor der kan komme store driftsomkostninger senere, eller om man skal bygge en mere pålidelig, men dyr vindmølle, der på længere sigt kan forventes at have små driftsudgifter. Det er nogle af de ting, vi forsker i lige nu, siger John Dalsgaard Sørensen.

∞ John Dalsgaard Sørensen | Professor

Institut for Byggeri og Anlæg Tlf : 9940 8581 Mail : jds@civil.aau.dk

BØTTEFUNDAMENTER:

NEDBRINGER OMKOSTNINGERNE MED 30 % En ny type fundament til havvindmøller udviklet af Aalborg Universitet i samarbejde med en privat virksomhed er på vej til at revolutionere offshore-sektoren. Langt mindre miljøpåvirkning og en reduktion af installationsomkostningerne med op til en tredjedel er de væsentlige faktorer, som har sikret opfindelsen stor international opmærksomhed.

Mange danske og internationale medier har omtalt bøttefundamentet, som det er blevet døbt, og udviklingen af det kommercielle produkt følges med stor interesse flere steder i verden, særligt i den internationale vindmølle- og offshoreindustri. Det skyldes, at industrien er udfordret på navnlig to fronter i øjeblikket: dels et presserende behov for at reducere omkostningerne til installation og drift af havvindmølleparker, dels et ønske om at reducere branchens påvirkning af det maritime miljø, et emne som også er i det politiske søgelys. Af de store energiselskaber regnes bøttefundamentet for fremtidens. Billigere og bedre Det skyldes, at bøttefundamentet bliver langt billigere end eksisterende fundamenttyper, fordi det består af mindre stål, hvilket også letter transporten ud til vindmølleparken. Derudover kan det genbruges. I princippet er der tale om en stor, enkeltstående stålbøtte, som er 43 m høj og måler 12 m i diameter. Fundamentet produceres på land og transporteres til havs, hvor det uden anvendelse af tungt maskineri selv ”suger” sig fast i havbunden vha. et kraftigt undertryk. Når fundamentet skal fjernes, kan

det afinstalleres vha. et overtryk. Traditionelle fundamenter sprænges væk, hvilket støjer og generer fisk og havdyr i området, dernæst efterlades de sprængte stålrester på havbunden. - Udover kraftigt at nedbringe omkostningerne til produktion og installation, er bøttefundamentet mere miljøvenligt. I Tyskland er det f.eks. ikke længere tilladt at installere havvindmøllefundamenter vha. pælehammer, hvis støjniveauet overstiger en hvis grænseværdi, da det forstyrrer havmiljøet, forklarer professor Lars Bo Ibsen fra Institut for Byggeri og Anlæg på Aalborg Universitet. Han er en af opfinderne bag bøttefundamentet. Fundamentet for fremtiden Projektet kom i stand, da en mindre privat virksomhed, Universal Foundation (dengang Marine Business Development) henvendte sig til AAU med idéen om bøttefundamentet. Det var i 2001, og siden er produktet udviklet til et punkt, hvor det er klar til storskalatest. Mindre testopsætninger har allerede fundet sted gennem årene og er forløbet planmæssigt. Bl.a. er der installeret et bøttefundament ud for Frederiks-

havn i 2001, som stadig fungerer upåklageligt. I dag står projektet over for sit store kommercielle gennembrud. Den største udfordring lige nu er at geare virksomheden til at håndtere store ordrer på fundamenter til havvindmølleparker. Det kræver både det rette udstyr til produktion, kapital og fintuning af produktionsprocesserne, men markedspotentialet er meget stort: - Når bøttefundamentet kan massefremstilles, vil det skabe mange danske arbejdspladser, for potentialet er enormt, vurderer Lars Bo Ibsen. – Fundamentet udgør normalt op til 30 % af prisen på en havvindmølle eller ca. 15 mio. DKK. Et installeret bøttefundament kommer til at stå i ca. 10-12 mio. DKK. Lars Bo Ibsen forventer, at fundamentet vil kunne bruges i 90 % af samtlige havbundsforhold.

∞ Lars Bo Ibsen | Professor Institut for Byggeri og Anlæg

Tlf : 2257 0060 Mail : lbi@civil.aau.dk

PROBLEMBASERET FORSKNING

VINDMØLLER PÅ SLANKEKUR:

NED MED VÆGTEN OG OP MED STYRKEN Længere, større, lettere – vindmøllen har konstant vokseværk, og designet bliver fortsat mere sofistikeret. På Aalborg Universitet forskes der intenst i design med kompositmaterialer, som vejer mindre, er stærkere og gør vindmøllen stadigt mere energieffektiv.

8 P R O B L E M B A S E R E T F O R S K N I N G

Vindmøllevinger er et yderst kompliceret produkt, som til stadighed udgør et stort optimeringspotentiale, der konstant forbedres for at producere vindmølleelektricitet, der kan konkurrere med det fossile energimarked. Målet er altid at gøre vindmøllevingerne længere og større for at producere mere energi, men samtidig er der fokus på vægten for at minimere belastningerne og prisen for hele vindmøllen. Derfor forsker man intenst i udvikling af nye materialesammensætninger, strukturelle designs og computerbaserede modeller, som gør konstruktionerne lettere, mens styrke og stivhed bevares eller forbedres. Kompositmaterialer på højt niveau Forbruget af kompositmaterialer til vindmøllevinger har været støt stigende gennem de seneste år, og vingerne fremstilles i dag af lette kompositmaterialer såsom plastmaterialer, forstærket med glas- og kulfiber. Professor Erik Lund, Institut for Mekanik og Produktion på Aalborg Universitet, er verdenskendt inden for materialeoptimering med kompositmaterialer. Gennem computerbaseret mekanik forsker han i vindenergi og avanceret materialeoptimering til brug i bl.a. store vindmøllevinger. - Materialeforbruget i fremtidens konstruktioner skal minimeres, mens konstruktionerne skal gøres lettere og stærkere. Den rette kombination af lethed, styrke og holdbarhed er en helt central konkurrenceparameter i industrien, og derfor bliver kompositkonstruktionernes egenskaber skubbet tættere og tættere på grænsen for, hvad materialerne kan holde til, siger Erik Lund. Styrken sidder i detaljen Det er de små designdetaljer i samspil med hele vingestrukturen, som bestemmer styrken og levetiden af vindmøllevinger, hvilket kræver, at man arbejder på tværs af længdeskala fra det mikroskopiske materialeniveau til det strukturelle vingeniveau på for eksempel en 75 meter lang og 25 tons tung vinge. - Vi laver mekaniske laboratorieforsøg i samspil med computerbaseret modeludvikling, hvor vi genskaber belastningssituationer på eksempelvis kritiske dele af vingekonstruktionen for bedre at kunne forstå og modellere årsagen til styrkesvigt. Herved kan vingen bedre optimeres og skræddersyes til en ønsket strukturel opførsel, forklarer Lars Chr. T. Overgaard, lektor ved Institut for Mekanik og Produktion og tidligere leder af vingeudvikling hos Siemens Wind Power. Vindmøllevingen skal gentænkes Forskerne på Aalborg Universitet bliver hele tiden bedre til at designe vindmøllevinger bl.a. i samarbejde med forskellige vindmølleproducenter, som altid har et ønske om, at deres eksisterende modeller forbedres, og nye modeller etableres til at kunne forudsige styrken af

designdetaljer. Lars Chr. T. Overgaard mener, at det er på tide, at vindmølleindustrien gentænker vindmøllevingen. - Det er en spændende tid for kompositmaterialer og -strukturer. Danmark har opbygget en enorm viden i fremstillingen af verdens største kompositstrukturer gennem de sidste årtier samtidig med, at de computerbaserede modeller er blevet væsentligt bedre end tidligere. Ikke desto mindre har det strukturelle vingedesign ikke ændret sig væsentligt i årtier. Det er derfor naturligt, i min optik, at vi konsoliderer vores viden i nytænkte fremstillingsmetoder og vingedesign i stedet for fortsat at bygge oven på eksisterende metoder og designs. Men det er selvfølgelig både udfordrende og bekosteligt, og samtidig er der så megen fart over vindmøllefeltet i dag, at der ikke er tid til at gentænke. Det binder os og producenterne til at fremstille, som vi altid har gjort. Vægten skal ned Der er ikke længere tvivl om, at vindenergi i Danmark spiller en central rolle i overgangen fra fossile brændstoffer til vedvarende energikilder. Men for at vindenergi kan slå de fossile brændstoffer i energiproduktion, skal vingerne gøres lettere og mere effektive. - På de bedste onshore-lokationer kan prisen på vindmølleenergi faktisk godt konkurrere med det generelle elmarked, men desværre er mange af disse steder allerede optaget af eksisterende vindmøller. Derfor er energiselskaberne ofte henstillet til at placere vindmølleparker på lavvindsområder eller offshore, hvilket gør, at der til stadighed er stor forskel på kostprisen på produceret energi sammenlignet med fossile brændstoffer. Her spiller vindmøllevingernes vægt og deres strukturelle opførsel en vital rolle, og derfor skal vi have vægten ned med bibeholdt eller forbedret styrke, og energiproduktionen skal op, slutter Lars Chr. T. Overgaard.

∞ Erik Lund | Professor

Institut for Mekanik og Produktion Tlf : 9940 9312 Mail : el@m-tech.aau.dk

∞ Lars Chr. T. Overgaard | Lektor

Institut for Mekanik og Produktion Tlf : 9940 3047 Mail : lcto@m-tech.aau.dk

PROBLEMBASERET FORSKNING

KONTROLSYSTEMER:

OFFSHORE VINDMØLLETEKNOLOGI De store landvindinger i vindindustrien sker i de store offshore vindmølleparker. Men selvom området er lovende, skal megen forskning og udvikling endnu til, før sektoren når sit fulde potentiale som en effektiv, stabil, sikker, forudsigelig og kontrollerbar energikilde.

Vinden er ikke til at styre, men i stedet forsøger forskerne på Aalborg Universitet at tilpasse vindmøllerne til den ustyrlige vind. Jo bedre forskerne er til at forudsige og kontrollere vindmøllernes reaktioner og tilpasninger til vinden, jo mere ydeevne og energi kan vindmøllerne producere. - Vores videnskabelige arbejde adresserer flere niveauer af kontrol- og automatiseringssystemer til vindmøller. Det er lige fra vindmølleparken som helhed som til den enkelte mølle, siger Thomas Bak, professor ved Institut for Elektroniske Systemer (Automation & Control). Et af resultaterne er en model, der beregner vindhastigheder i vindmølleparker. Modellen bruger de industrielt tilgængelige målinger fra turbinen og producerer det optimale estimat af vindhastigheden i det af vingerne dækkede område. Dette estimat danner baggrund for modeller til regulering, der kan bruges til at beskrive hvordan en vindmølle påvirker møller bag den, og er dermed basis for en optimal regulering på park niveau. Forskerne på Aalborg Universitet arbejder tæt sammen på tværs af institutter, sammen med de studerende og med bidrag fra industrien for at levere løsninger til at kontrollere og udnytte vinden mest effektivt i de store vindmølleparker, der i disse år bygges ude på havet. Offshore-møller skal forbedres Offshore vindmøller skal være mere pålidelige end onshore-møller, fordi omkostningerne til drift af offshore-møllerne er betydeligt højere. Men offshore-møllerne har større effekt i i elsystemet end de onshore-møller, der står rundt om i dag. Derfor udvikler de på Institut for Energiteknik nye

10 P R O B L E M B A S E R E T F O R S K N I N G

generator- og effektelektroniske systemer til offshore vindmølleparker og offshore grids. - For at udvikle en overordnet, optimal kontrol, der maksimerer opsamlingen af strøm og reducerer belastningen og tab af vindmølleparker, forsker vi i det optimale design, den optimale drift og kontrol såvel som fejlprognoser for offshore vindmøller. I fremtiden vil teknologi til lagring af energi være en løsning, der kan sikre et stabilt flow i strømforsyningen. Men en kosteffektiv metode til lagring af energien er endnu ikke udviklet, siger Zhe Chen, Professor ved Institut for Energiteknik. Målet er at udvikle nye metoder til at styre den enkelte vindmølle for at reducere udsving i strømproduktionen, forhindre træthed i konstruktionen og forbedre strømkvaliteten. ∞ Zhe Chen | Professor Institut for Energiteknik

Tlf : 9940 9255 Mail : zch@et.aau.dk

∞ Thomas Bak | Professor

Institut for Elektroniske Systemer Tlf : 9940 8701 Mail : tba@es.aau.dk

SMARTGRID:

FREMTIDENS INTELLIGENTE ELNET Inden 2020 skal halvdelen af Danmarks energiforbrug dækkes af strøm fra vindmøller. Det giver en række store udfordringer. For det første er det danske elforbrug stigende, ikke mindst fordi der kommer flere og flere elbiler og varmepumper. En elbil eller en varmepumpe bruger nemlig hver især den samme mængde el som en gennemsnitlig dansk husstand. Dernæst blæser vinden ikke altid på de tidspunkter, hvor danskerne bruger mest strøm. Den strøm, der produceres, skal derfor anvendes så hensigtsmæssigt som muligt.

Djævlen ligger tit begravet i detaljen. Det er Birgitte Bak-Jensen og hendes kollegaer på Institut for Energiteknik meget beviste om. - Vi er fokuseret på de tekniske detaljer inden i vindmøllen og ikke mindst i overførslen af energien f.eks. ind i fjernvarmesystemet. Vi kan simulere deltaljer om overførselskapacitet og –kvalitet, så det står klart om el-nettet er dimensioneret rigtigt, forklarer Birgitte Bak-Jensen, som er lektor ved Institut for Energiteknik. Typisk er der de største mængder el til rådighed om natten, for da blæser det mest, men det er selvsagt ikke her, danskerne bruger mest strøm. Derfor er det sidste nye, som Birgitte Bak-Jensen og kollegaerne forsker i, samspillet og integrationen mellem el produktionen, fjernvarmeværkerne og gasnetværket. Det vil være smart, hvis overskydende strøm fra vindmøllerne kan omsættes til brint og bruges i naturgasnettet. Eller at brinten kan lagres via brændselsceller, og siden bruges af biler, der drives på brintteknologi.

- Det kræver mange og detaljerede studier i komponenter og systemer at få den mest effektive og smarte udnyttelse af vindenergien, siger Birgitte Bak-Jensen. Smartgrid kræver samarbejde De mange varmepumper og elbiler forventes i løbet af 10 til 15 år at fordoble eller tredoble danskernes elforbrug. Én løsning vil være at udvide elnettet betragteligt, men den intelligente løsning vil være at tilpasse vores forbrug, så presset tages af nettet i spidsbelastningsperioderne. Lykkes det, er der penge at spare, og en fremtid hvor danskernes energiforbrug dækkes uden fossile brændsler, er rykket et skridt nærmere. Derfor er der brug for intelligent styring af elnettet i Danmark, det man kalder et smartgrid. Der er flere bud på, hvordan det skal skrues sammen, men sikkert er det, at det kræver mange forskellige faglige og forskningsmæssige kompetencer at knække koden til det ideelle smartgrid. Hvis Danmarks smartgriddrøm skal gå i opfyldelse, må forskere på tværs

af institutter og universiteter derfor samarbejde, også med erhvervsliv og industri, f.eks. it-specialister og IKT-eksperter. - På Aalborg Universitet har intensiv forskning i fremtidens smartgrid ført til mange samarbejder på tværs af institutter og mellem forskere med speciale i bl.a. energiteknik, telekommunikation, energiplanlægning, datalogi osv. Det betyder, at når vi arbejder med en idé, så kan vi få den belyst fra alle vinkler og undgår f.eks. dermed, at vi bruger for meget tid på noget, der ikke kan realiseres, fordi eksperter fra andre områder kan bidrage med deres viden, udregninger og undersøgelser, slutter Birgitte Bak-Jensen.

∞ Birgitte Bak-Jensen | Lektor

Institut for Energiteknik Tlf : 9940 9274 Mail : bbj@et.aau.dk

PROBLEMBASERET FORSKNING

OVERGANG TIL VEDVARENDE ENERGI AFHÆNGER AF EFFEKTELEKTRONIK Hvis elforsyningen inden for en overskuelig fremtid primært skal komme fra vindenergi, skal Danmark have fokus på to ting: At bruge mindst muligt strøm samt at få mest muligt ud af vores energiproduktion. Det kræver effektelektronik på højeste niveau.

Vores hverdag bliver fortsat mere baseret på elektricitet, og i hjemmet ser vi, bl.a. hvordan antallet af smart phones, computere og andre enheder, der oplades via batterier, stiger støt. Samtidig bruger fx ventilation, aircondition og køling også en meget stor mængde energi, og bilen får efterhånden flere og flere elektroniske funktioner. I den moderne industri foregår en høj grad af automatiseringen via el, og transportsektoren bliver gradvist mere elektronisk.

- I vort samfund er der ufatteligt mange anvendelser på energiomsætning, hvor effektelektronik er en absolut nødvendighed. Det gælder både energi fra vindmøller og solceller, som skal effektivt tilsluttes elnettet, og computere, motorer og andre apparater, hvor strømmen skal tilpasses belastningen. Vi regner faktisk med, at omkring 70-80 % af vores samlede elforbrug bliver omsat via effektelektronik, forklarer Frede Blaabjerg, som er professor på Institut for Energiteknik.

El, el og atter el Fællesnævneren for alle disse er, at deres strømforbrug er blevet omdannet fra én form til en anden: En computer, som skal lades op med strøm fra elnettet, kræver en lader, der kan omdanne vekselstrøm til jævnstrøm. En solcelles energiproduktion, som oprindeligt er jævnspænding, skal omdannes til vekselstrøm, før den kan tilføres elnettet. Denne omdannelse hedder effektelektronik.

Han er overbevist om, at over de næste 20 år vil denne procentdel af elektrisk baseret energi stige endnu mere, og derfor er det nødvendigt, at vi formår at styre den elektriske energi effektivt og smart. Her spiller effektelektronikken en meget klar nøglerolle.

12 P R O B L E M B A S E R E T F O R S K N I N G

Nøglen til vindenergi Effektelektronikken er afgørende, både når det gælder ude ved vindmøllerne, og når det gælder

styringen af den energi, som vindmøllerne sender ind i el-systemet. Ude ved vindmøllerne handler det bl.a. om at få maksimal virkningsgrad af selve vindmøllen. Dette opnås ved at forholdet mellem vindhastigheden og møllevingens hastighed bliver styret optimalt: Hvis vinden blæser lidt kraftigere, så skal møllevingens omløbshastighed justeres, så man fastholder den størst mulige virkningsgrad. Samtidig gør effektelektronikken det muligt præcist at styre effekten ind på nettet og giver en større flexibilitet til at kunne styre el-nettet optimalt. - Nøglen, til at vindenergien får den dominerende rolle på fremtidens el-marked, er, at effektelektronikken kan bidrage til at omsætte energien ude fra vindmøllen ind i el-systemet på den mest effektive måde, siger Frede Blaabjerg. På Aalborg Universitet forskes der intenst på at videreudvikle effektelektronik. Det sker både

i tæt samspil med en række industrier, hvor apparaters og komponenters egenskaber skal forbedres ift. strømforbrug og holdbarhed, samt ift. produktion af el via bæredygtige energikilder som f.eks. vindmøller. - For at få mest muligt ud af vores energi, skal der gribes ind på to grundlæggende områder: Effektivisering – hvordan vi forbruger mindst muligt strøm, og optimering – hvordan får vi mest muligt ud af den energi, som vi producerer. Det har vi omkring 75 ph.d.-studerende, der ser nærmere på – både på komponent-, apparat- og systemniveau, fortæller Frede Blaabjerg. Effektelektronik er således en teknologi, som er essentiel for energiforskning og hele overgangen til vedvarende energikilder: - Effektelektronik bliver svær at komme uden om, for netop denne teknologi muliggør mange,

hvis ikke alle, af de energiområder, der forskes i på Aalborg Universitet. For hvis ikke vi formår at omdanne en given energi til anvendelig strøm til elnettet, så kommer vi ikke ret langt i implementeringen af vedvarende energi, siger Frede Blaabjerg. Verden ser mod Aalborg Over de sidste tyve år har Aalborg Universitet bygget et verdensklasse navn op inden for effektelektronik, og Frede Blaabjerg vurderer, at selvom konkurrencen fra andre internationale universiteter skærpes, så hører Aalborg Universitet til den absolutte top på verdensplan, hvad angår effektelektronik: - Der er ingen tvivl om, at Aalborg Universitet er meget langt fremme på dette område, og at interessenter verden over holder tæt øje med, hvad vi foretager os. Det skyldes især vores markante samspil med virksomheder, hvilket

gør forskningen utrolig virkelighedsnær, og at vores publikationsvolumen er meget høj. Derudover har vi en stor forskningskapacitet med verdensførende forskere og topmoderne faciliteter. Institut for Energiteknik har flere strategiske tiltag i pipeline, bl.a. på faciliteterne, hvor laboratoriet skal udvides markant over de kommende år, og inden for nye forskningsområder som fx elektronisk pålidelighed, hvilket er et meget vigtigt udviklingsområde i disse år, især blandt virksomheder.

∞ Frede Blaabjerg | Professor Institut for Energiteknik

Tlf : 2129 2454 Mail : fbl@et.aau.dk

PROBLEMBASERET FORSKNING

SMART ENERGY SYSTEMS:

VI SKAL OP I HELIKOPTEREN På Institut for Planlægning på Aalborg Universitet arbejder professor Henrik Lund og hans kolleger på en model for et energisystem baseret på 100 % vedvarende energikilder som vind, sol og bølger. Derfor har man udviklet konceptet Smart Energy Systems, der samtænker el- og varmeforsyningen såvel som transportsektoren.

- Smart energy systems er en holistisk tankegang, hvor man ikke tænker isoleret i undersektorer som el, varme og transport, men samtænker samfundets energibehov i ét sammenhængende system. Målet er bedre og billigere løsninger til at integrere vedvarende energi, siger Henrik Lund. Ifølge Henrik Lund kan et dansk energisystem baseret på 100 % vedvarende energi være realiserbart allerede i 2050. Mange af forudsætningerne er allerede på plads eller planlagt, men det er også nødvendigt med yderligere investeringer. Laver el som vinden blæser En væsentlig udfordring i et energisystem baseret på 100 % vedvarende energi (og som det er planen i Danmark, primært vindenergi) er, at energiproduktionen ikke er konstant, som den er ved afbrænding af kul eller olie. Vinden blæser nogle gange mere end andre. Når vi opsætter flere vindmøller, skaber vi derfor samtidig behov for mere regulering af forsyningssystemet. - Allerede ved integration af 20 % vindenergi i elproduktionen ramte Danmark et punkt, hvor kraft- og kraftvarmeværkerne måtte begynde at regulere deres produktion efter vejrudsigten, siger Henrik Lund. - I dag har vi 30 % vindenergi i elproduktionen, og vi nærmer os et punkt, hvor der skal andre og flere initiativer til for at opnå balance i energiproduktionen. De mange vindmøller producerer mere el, end vi kan bruge, og den udfordring skal bl.a. løses ved at samtænke el- og varmeproduktionen. El og varme – to sider af samme sag Strøm er besværlig og dyr at lagre, og samtidig er der relativt meget spild ved lagring af strøm. I dag løses problemet med overskydende vindmøllestrøm de mest progressive steder ved at bruge strøm-

14 P R O B L E M B A S E R E T F O R S K N I N G

∞ Gå ind på følgende You Tube link: www.youtube.com/watch?v=eiBiB4DaY OM&feature=youtu.be Her kan du på en nem måde få en forståelse af Smart Energy Systems. Du få kan mere uddybende viden ved at læse på følgende link: www.smartenergysystems.eu

men til at opvarme vand i elkedler. Varmt vand kan anvendes til opvarmning af boliger, og har man for meget, er det nemmere og billigere at lagre det varme vand end strømmen. Men en anden og mere effektiv mulighed er at anvende varmepumper, der kan lave strømmen om til varme. - I Danmark kunne vi med fordel i langt højere grad anvende varmepumper, siger Henrik Lund. - I de områder, hvor det ikke kan betale sig at lægge fjernvarmerør, kan der installeres individuelle varmepumper i den enkelte bygning eller bolig som erstatning for naturgas- eller oliefyr, som jo skal udfases, hvis vi vil have et energisystem baseret på 100 % vedvarende energi. I fjernvarmeområder kan større varmepumper indsættes og kobles til forsyningsnettet. En varmepumpe har et større output end input, dvs. at den producerer mere varme, end den bruger strøm, forklarer Henrik Lund. Når vi i 2020 når målet om 50 % vindkraft i elforsyningen, skal der selvfølgelig produceres mindre el på kul- og naturgasfyrede kraftværker og kraftvarmeværker. Men det vil så betyde, at kraftvarmeværkerne kan levere mindre varme til forsyningsnettet. Men med varmepumper har man en fleksibel løsning, der kan bevare brændselseffektiviteten og integrere mere vindkraft. Igen er man dog nødt til at tænke el- og varmeproduktion sammen, hvis løsningen skal realiseres. Det er hovedtanken i smart energy systems. Transporten skal med Hvis man vil opnå et energisystem helt uden fossile brændsler, kommer man dog ikke uden om transportsektoren. Det vil – i hvert fald i teorien – være relativt simpelt at omlægge persontransporten til vindenergi vha. elbiler. Men større lastbiler og fly kan ikke drives af el. Den udfordring kan løses ved at fremstille gas eller flydende brændsel, f.eks. methan (naturgas) eller methanol (træsprit), på biomasse. Biomasse er imidlertid en bæredygtig, men ikke vedvarende energikilde, og der er ikke biomasse nok i verden, eller i Danmark isoleret set, til at drive transportsektoren. - Man er nødt til tænke el- og gasproduktionen sammen, hvis løsningen skal realiseres. Igen en idé, der er bærende for konceptet smart energy systems, nemlig at de billigste og bedste løsninger er at finde, når hele systemet samtænkes, siger Henrik Lund. - Et kæmpe buzzword lige nu er derfor ”power to gas”, idéen om at bruge el til at booste produktionen af flydende brændstof vha. elektrolyse. Vi opnår herved de samme fordele som ved at anvende el i varmeforsyningen, nemlig en større fleksibilitet, for lagring af flydende brændstof eller gas er nemmere og billigere end lagring af el, slutter Henrik Lund.

∞ Henrik Lund | Professor

Institut for Planlægning Tlf : 9940 8309 Mail : lund@plan.aau.dk

PROBLEMBASERET FORSKNING

ENERGIPLANLÆGNING:

LØSNINGER TIL SAMFUNDET OM VINDENERGI Hvor mange vindmøller er der plads til? Hvornår skal Danmark ikke bygge flere vindmøller? Hvor skal investeringerne lægges? Hvad gør vi, når det blæser for lidt eller for meget, og vores mange vindmøller producerer for lidt eller for meget strøm? Hvad kan i det hele taget bedst betale sig? Det er nogle af de spørgsmål, man arbejder med på Institut for Planlægning på Aalborg Universitet.

På instituttet har forskerne mest de strategiske briller på, når det handler om vindmøller. Her opstilles scenarier for fremtidens energisystem, så beslutninger om Danmarks energimæssige fremtid kan træffes på et oplyst grundlag. – Det giver f.eks. ingen mening, at vi får flere elbiler i Danmark, hvis de kører på el, der er produceret ved afbrænding af kul. Omvendt giver det heller ingen mening, at vi bygger for mange vindmøller, hvis der ikke er efterspørgsel på strømmen, f.eks. til elbiler. Så hvor skal investeringerne lægges først? spørger professor Poul Alberg Østergaard fra Institut for Planlægning. Det er et komplekst felt, hvor mange faktorer griber ind i hinanden, og hvor den mindste ubalance kan få store konsekvenser. - I disse år har vi også meget fokus på forholdet mellem vindenergi og fjernvarme. Dels at få omsat vindenergien til de varmepumper, der sørger for vores husopvarmning. Dels hvordan fjernvarmesystemet skal hænge sammen med andre systemer, når vinden ikke blæser, fortæller Poul Alberg Østergaard.

16 P R O B L E M B A S E R E T F O R S K N I N G

Et meget presserende spørgsmål er, hvordan Danmark bedst og billigst når vores mål om at integrere 50 % vindenergi i Danmarks energisystem. Generelt er der to udfordringer med vindmøller: nogle gange blæser det for lidt til, at Danmarks strømbehov kan dækkes, somme tider blæser det for meget, og så skal vi af med strømmen. Enten skal den eksporteres ud af landet, eller også skal strømmen lagres eller bruges, f.eks. til at producere noget, der kan lagres. - Når det blæser for lidt, skal vi have et alternativt system, der kan producere den el, vi skal bruge. Det kan f.eks. være vores kraft- og kraftvarmeværker, men det helt store spørgsmål er, om de overhovedet skal eksistere i fremtiden. Hvis de skal det, skal vi i hvert fald sikre, at de økonomiske forudsætninger er til stede for, at det kan betale sig at drive værkerne. Ellers forsvinder de jo. Og sker det, skal vi være klar med andre alternativer til at supplere vindmøllerne, når vinden ikke blæser, siger Poul Alberg Østergaard. Den udfordring findes der flere potentielle løsninger på, og på Institut for Planlægning

jonglerer man med dem i forskellige scenarier for at afdække muligheder og begrænsninger. - Der er mange forskellige knapper og håndtag, vi kan dreje på for at regulere in- og output i energisystemet. F.eks. kan man arbejde på at få et mere fleksibelt elforbrug, men det helt store potentiale for besparelser ligger i at bruge varmepumper og lade fremtidens elbiler, når vinden blæser. Elbiler har i det hele taget stort potentiale for at bidrage positivt til et samfund baseret på store mængder vindmøllestrøm, fordi batteriet i en elbil kan lagre store mængder strøm, slutter Poul Alberg Østergaard.

∞ Poul Alberg Østergaard | Lektor

Institut for Planlægning Tlf : 9940 8424 Mail : poul@plan.aau.dk

ENERGIPLANLÆGNING:

FREMTIDEN FOR OFFSHORE VINDENERGI AFDÆKKES Der er et kæmpepotentiale i offshore vindenergi til at kunne levere Europas mål om ren grøn energi i 2050. Men der er store tekniske udfordringer som skal løses for at gøre værdikæden økonomisk rentabel uden statsstøtte.

I mere end ti år har Poul Houman Andersen på institut for Økonomi og Ledelse sammen med bl.a. Ina Drejer forsket i vindindustriens udfordringer og muligheder for skabe økonomisk rentable værdikæder. Især har der været fokus på offshore vindenergiens store potentiale – et bud siger, at der på europæisk plan kan etableres 300.000 arbejdspladser, og at Europas mål om næsten 100% grøn energi i 2050 for en væsentlig del kan dækkes af offshore vindenergi. Ved at være førende på forskning og produktion af vindmøller og vindenergi står Danmark i en gunstig situation. - Hvis vi i Europa vil nå vores mål om grøn energi er man nødt til at satse på offshore vindenergi. Det er den teknologi, der er længst fremme. Det er på havet, at det blæser mest, og så er man næsten løbet tør for gode vindsites på land. Der er plads til mange flere vindmøller på havet, siger Poul Houman Andersen, der er professor på institut for Økonomi og Ledelse. Der er dog udfordringer for offshore vindmølle industrien, som skal løses inden potentialet kan forløses. Overordnet handler det om at få lavere omkostninger ind i alle led af værdikæden. Ellers risikerer offshore vindenergien ikke at være interessant om få år, fordi andre grønne energiformer vil kunne levere billigere megawatt timer pr. investeret krone. - Derfor forsøger mange i disse år at gentænke større eller mindre dele af det komplekse forretningssystem, som offshore vindenergi udgør. Der er ikke ét bestemt teknologisk design, som har fået overtaget, siger Poul Houman Andersen.

Forskningen har peget på, at offshore vindindustrien i stigende grad er ved at nå til den erkendelse, at offshore vindproduktion indebærer teknologiske, logistiske og kommercielle udfordringer, som ikke umiddelbart kan løses ved hjælp af løsninger fra onshore produktion. - Offshore industrien er i realiteten en ung industri på kun 10 år. Der er således blandt de dominerende forretningsaktører en gradvist mere udbredt opfattelse af, at offshore vindindustrien er en ny form for industri, der kræver særlige kompetencer, siger Poul Houman Andersen. Hvordan området vil udvikle sig, og om offshore vindenergi vil forgrene sig til et selvstændigt forretningsområde, afhænger i høj grad af evnen til at få kontrol over omkostningerne forbundet med etablering og drift. - Vi vil i vores forskning følge op på udviklingen især i den danske offshore industri for at se på, hvorledes Danmark kan udnytte konkurrencefordelen i at være pionere på vindenergi området, siger Poul Houman Andersen.

∞ Poul Houman Andersen | Professor

Institut for Økonomi og Ledelse Phone : +45 9940 2754 Email : poa@business.aau.dk

PROBLEMBASERET FORSKNING

18 P R O B L E M B A S E R E T F O R S K N I N G

MILLIARDER AT SPARE PÅ LOGISTIKKEN FOR OFFSHORE VINDMØLLER Forskning i logistik og supply chain management skal være med til, at interessenterne i vindmølleindustrien får øjnene op for innovative løsninger til, hvordan alle led og værdikæder i en vindmølles livscyklus bliver billigere. De nyeste offshore vindmøller er store som en jumbojet, og de koster også næsten det samme. Netop omkostninger vil i løbet af få år tage livet af offshore industrien, hvis ikke den får sænket priserne på produceret energi til et niveau i nærheden af f.eks. olie og kul. I dag er vindmølleindustrien båret oppe af statsstøtte, men mange lande har erklæret, at det skal slutte senest i 2020. - Et vigtigt og delvist overset forskningsområde i vindmølleindustriens værdikæder er hele shipping, logistik og supply chain management området, siger Thomas Poulsen, Ph.d.stipendiat ved Institut for Mekanik og Produktion. Thomas Poulsens Ph.d. projekt forsøger med omfattende casestudier at afdække dels de mange processer i de meget komplekse forsyningskæder, dels de specifikke krav, som shipping- og logistikvirksomhederne skal opfylde for at være førende både nationalt og ikke mindst globalt. - Danmark har jo forudsætninger for at være verdensledende med vores søfartshistorie, hvor vi har vist, at vi kan transportere ting hen over havet uanset vind og vejr. Jeg håber, at mit arbejde kan være med til at animere industrien til at træffe en strategisk beslutning om at satse målrettet på at finde de besparelser i logistikken og forsyningskæden, som gør den enkelte danske operatør konkurrencedygtig globalt set. Når det sker, så åbner der sig uanede muligheder over hele verden, netop fordi området er i enorm vækst, siger Thomas Poulsen.

I dag er en del shipping- og logistikvirksomheder stået af det potentielt store vindmøllemarked, fordi de ikke kan forstå det. Thomas Poulsens forskningsprojekt vil med sine dybdegående casestudier måske kunne være med til at gøre det potentielt store marked mere forståeligt og dermed mere attraktivt at investere i. - I mit projekt vil de kunne lære om hele processen fra de indledende havundersøgelser over transporten af komponenter og til både montage, drift, service og nedtagning. Det er komplekst, og der er ikke meget akademisk viden på området, siger Thomas Poulsen. Især uden for Europa er der ikke meget praktisk viden inden for specielt området med de meget store og tunge havvindmøller. Men ikke desto mindre er der ambitiøse mål – især i Asien og i særdeleshed i Kina – for at erstatte fossiler brændstoffer med vindenergi. Det giver især danske virksomheder muligheder for eksport af viden, kompetencer og komponenter, hvis de altså forstår at gøre forsyningskæderne billigere.

∞ Thomas Poulsen | Ph.d.-stipendiat

Institut for Mekanik og Produktion Phone : +45 2383 1621 Email : tp@m-tech.aau.dk PROBLEMBASERET FORSKNING

DEN EUROPÆISKE UNION Den Europæiske Socialfond

Vi investerer i din fremtid 20 P R O B L E M B A S E R E T F O R S K N I N G