Slimme bladtip heft vortex op

Topsector Energie interviewde nigeQ-CEO Eelco de Boer:

Voor welk probleem hebben jullie een oplossing gevonden?

"Windturbines op land en zee hebben last van remmende luchtwervelingen. Door deze turbulentie draaien de bladen minder makkelijk en dat beperkt de energieopbrengst. Vortex is een bekend fenomeen bij vliegtuigvleugels en windturbinebladen, die op een vergelijkbare manier werken; op basis van onder- en overdruk. Deze vortex (wervelingen), die minuten lang kan aanhouden, zorgt voor geluidsoverlast door de lucht en voor trillingen in de mast: iedere keer dat een blad langs de mast scheert, klapt de luchtstroom tegen de mast. De trillingen zetten zich door in het water of de grond. De turbulenties hebben daarnaast invloed op de andere turbines in het park. Ze versterken elkaar. Componenten als kogellagers, aandrijfassen en versnellingskasten slijten daardoor sneller en moeten eerder vervangen worden. Bestaande oplossingen zoals lipjes op de bladtips of vortex-generatorknobbels verplaatsen de wervelingen of wekken kleinere wervelingen op die de grotere vortex verminderen. Ze heffen de vortex niet op. Dat doet onze Infinity Blade Tip wel."

Wat houdt jullie oplossing in?

"Een vortex ontstaat door het drukverschil in de lucht richting de tip van een windturbineblad. De Infinity Blade Tip is zo ontworpen dat de luchtstroom zodanig gemanipuleerd wordt dat geen vortex optreedt. In de bovenzijde en onderzijde van de tip zitten openingen, sleuven waar de lucht in- en uitstroomt. De luchtstroom wordt op een ingenieuze manier zo van richting veranderd dat het ontstaan van de vortex wordt voorkomen. Hoe dat precies in zijn werk gaat is het geheim van de smid.

"De Infinity Blade Tip is een uitvinding uit 1997 van twee geniale Britse luchtvaartexperts, John J. Smith en Roger E. Read. Zij hebben hier met tussenpozen aan gewerkt en hier in 2008 het eerste patent op aangevraagd, waarna er nog drie volgden. De luchtvaarttoepassing is klaar voor de markt. Vijf jaar geleden zijn de twee uitvinders begonnen met de ontwikkeling van een ontwerp voor een windturbineblad. Wij hebben dit werk van hen overgenomen en begin 2020 nigeQ opgericht, vernoemd naar een oostelijke wind op Groenland."

Wat is zo baanbrekend aan de Infinity Blade Tip?

"Het is voor het eerst dat de vortex aan het eind van een windturbineblad wordt opgeheven. Niet verplaatst of verminderd maar echt opgeheven. Dat is echt een doorbraak. Onze oplossing is een fundamenteel andere probleemaanpak."

Wat levert jullie oplossing op?

"De energieopbrengst van de windturbine neemt substantieel toe. Uit modelberekeningen blijkt een extra prestatie van 10% maar het zou volgens CFD-analyses op kunnen lopen tot 20%. Voor een discipline waar het normaal om tienden van procenten gaat, is dat ongekend. Anders geredeneerd kun je ook zeggen dat je met dezelfde turbine de opbrengst van een grotere turbine kunt evenaren en zo de economische levensduur kunt verlengen. Dat is bijvoorbeeld ook relevant voor installateurs die tegen de grenzen aanlopen van wat hun huidige installatieschepen aankunnen.

Daarnaast dalen de geluidproductie en de vibraties. Het blad zoeft rustiger en zachter langs de mast. Daardoor vermindert het laagfrequente geluid door de lucht. Door die geluidsoverlast heeft Duitsland bijvoorbeeld bepaald dat de afstand tussen een windpark en bewoning van 400 naar 1000 meter is gegaan. Op zee is het wellicht relevanter dat de mast minder last heeft van vibraties. Hoe minder trillingen hoe minder ze zich voortplanten door het water. Dat komt het zeeleven ten goede.

Verder zullen de andere turbines minder last hebben van turbulentie. Door die krachten treedt aan nabijgelegen turbines sneller slijtage op. Soms moeten kogellagers, aandrijfassen of versnellingskasten al na een paar jaar vervangen worden. Volgens berekeningen zou de levensduur van bijvoorbeeld kogellagers van drie naar vijf jaar kunnen stijgen."

Hoe ver zijn jullie nu?

"Het ontwerp is gereed. We staan op het punt een wereldwijd patent aan te vragen. We zijn nu in de fase van ‘Proof of Concept’: in de praktijk bewijzen dat de modelberekeningen kloppen. We zijn op zoek naar een geschikte locatie om de Infinity Blade Tip in het veld te testen. Het liefst willen we onze bladtip in een bestaand windpark testen, dat zich al dan niet aan het einde van zijn economische levensduur bevindt. Dan kunnen we precies meten wat onder verschillende weersomstandigheden, windsnelheden en temperaturen de invloed is van de bladtip op het rendement, de geluidsproductie is en op andere windturbines.

"Verder hebben we behoefte aan samenwerkingspartners. We zijn bijvoorbeeld in gesprek met LM, een grote Deense fabrikant van windturbinebladen. Ook Vestas en Van Oord tonen interesse, de laatste omdat ze met hun bestaande installatieschepen zo toch windturbines met een hogere energieopbrengst kunnen installeren. Ook samenwerking met energiebedrijven als de Eneco’s of Vattenfall’s van deze wereld is een optie."

Wat zijn jullie uitdagingen?

"Het vinden van een locatie waar we de bladtip gedurende 3-4 maanden kunnen testen, is de belangrijkste. We willen graag samenwerken, maar ook niet te exclusief voor een enkel bedrijf werken die de resultaten voor zichzelf wil houden. Dat is een dilemma."

Wat zijn jullie vervolgstappen?

"Ons netwerk uitbouwen. Ons doel is uiteindelijk om deze innovatie in licentie op de markt te brengen en daar diensten omheen te bieden. We gaan de bladtip niet zelf produceren. We zijn daarvoor op zoek naar licentiepartners. Als we de bladtip getest hebben willen we het ontwerp gaan optimaliseren. We werken al samen met Swansea University maar we willen ook connecties met de TU Delft en Universiteit Twente opbouwen.

Wat hebben jullie aan Offshore Wind Innovators en TKI Wind op Zee?

"Het liefst willen we testen in een onafhankelijke opstelling. Zij kunnen daar wellicht mee helpen omdat ze een groot netwerk hebben. Een evenement als de MatchmakingDay is een goed platform om onze innovatie te pitchen. Als we de veldtest hebben gedaan, willen we samen met hen bekijken wat de subsidie- en onderzoeksmogelijkheden zijn."