VINDKRAFT 3/05. Rapport från BOREAS VII. Inledning. Sammanfattning och slutsatser

Transkript

1 VINDKRAFT 3/05 Rapport från BOREAS VII Föreliggande rapport innehåller referat från föredrag som hölls under BOREAS VII; en konferens kring nedisning och dess inverkan på vindenergiproduktion m.m. Rapporten har utarbetats av Göran Ronsten, vid Totalförsvarets forskningsinstitut (FOI) inom ramen för Elforsks vindkraftprogram. Kontaktperson vid Elforsk har varit Ulf Arvidsson, tel Inledning BOREAS VII 1 arrangerades 7-8 mars 2005 av det Finska meteorologiska institutet (FMI). Den för ämnet väl valda platsen var Saariselkä i finska Lappland. Antalet BOREAS-deltagare har sedan starten 1992 stadigt ökat från drygt 30 till nuvarande stabila nivå över 60-strecket. Mer än hälften av de tillresta kom från FoU-sektorn. Tillverkare av kringutrustning var relativt väl representerade medan vindturbintillverkarna, VESTAS undantaget, lyste med sin frånvaro. Här fanns även ett flertal representanter för exploatörer av vindkraft i kalla klimat. 1/3 av deltagarna kom från Finland, 1/6 från Norge och övriga halvan deltagare kom från 13 olika länder inkl. USA, Kanada och Japan. En anledning till att VTT även denna gång lyckades hålla deltagarantalet uppe är det pågående samarbetet inom COST 727, Atmosfärisk nedisning av strukturer 2. Sammanfattning och slutsatser Intresset för nedisning tycks öka i takt med att samhället blir allt mer känsligt för el- och kommunikationsstörningar. I och med att BOREAS VII samordnades med COST727 har kretsen av BOREAS-deltagare vidgats till att omfatta även traditionella nationella meteorolo

2 giska institut och högskolor. Därmed uppstod intressanta synergieffekter när utmaningarna kunde belysas med inte enbart vindkraft som utgångspunkt. Vid BOREAS-konferensen presenterade COST727-deltagare ämnen som omfattade alltifrån islager med en tjocklek som kan räknas i antal atomskikt upp till nedisning på kraftledningar där isvikten motsvarade en tätt packad bilkö längs hela kraftledningen! Inom COST727 bedrivs bl.a. utvärdering av befintliga och kommande isdetektorer. För att kunna mäta nedisning måste man först enas om vad som utöver vindhastighet och temperatur är mest intressant att mäta. Idag ifrågasätts värdet av den relativa luftfuktigheten eftersom sambandet mellan denna och nedisning inte är entydigt. Idag anses droppstorlek i förhållande till det nedisade föremålets diameter och luftens innehåll av flytande vatten vara viktiga nedisningsparametrar. Tyvärr är både droppstorlek och luftens innehåll av flytande vatten idag svåra, och därmed dyra, att mäta. Slutmålet inom COST727 är att få till stånd kontinuerliga synoptiska 1 isobservationer till stöd för utveckling av nedisningsanalyser och prognoser. Sådana analyser och prognoser används idag regelmässigt inom såväl civil som militär luftfart. Någon verifiering av analysoch prognosverktyg genom t.ex. nedisningsmätningar i höga master förekommer idag inte. Först därefter är det möjligt att ta fram frekvenskartor som beskriver graden av nedisning på aktuella utbyggnadsplatser. Kombinerat med vindtillgången i samband med nedisade vindturbinblad kan sedan energiproduktionsförluster orsakade av nedisning uppskattas. Därmed är sista steget taget för att en vindkraftsexploatör/ägare skall kunna bedömma om och i så fall vilken typ av avisningsutrustning som det kan löna sig att beställa som tillval. BOREAS VII gav deltagarna en god överblick över det dagsaktuella läget inom problemområdet Atmosfärisk nedisning av strukturer. I samband med konferensen hölls dessutom arbets- och grupparbetsmöten inom COST727 samt ett förberedande möte inför fortsättningen på IEA R&D Wind, Annex XIX, Vindkraft i kalla klimat samtidiga mätningar över ett stort område 2.

3 Elforsk, BOREAS VII, 2005 Innehållsförteckning 1. Presentationer från samarbetsprojekt IEA R&D Wind, Annex XIX, Vindenergi i kalla klimat Schweiziska erfarenheter Svenska erfarenheter NEW ICETOOLS Tyska erfarenheter Finska erfarenheter COST Arbetsgrupp 1, Nedisningens fysik Arbetsgrupp 2, Nedisningmätningar Arbetsgrupp 3, Prognosmetoder och frekvenskartor17 2. Övriga COST 727-presentationer Mätningar under besvärliga förhållanden Vindtunnelprov av en ny isdetektor Nedisning på atomnivå Verifiering av nedisningsmodeller för kraftledningar Isobservation med web-kamera jmf med meteorologiska parametrar Nedisning, avisning och säkerhetsavstånd Certifiering för kalla klimat Nedisningsmätningar i Österrike Nedisningsmätningar i Tjeckien Nedisningsmätningar i Tyskland Mätning och simulering av ett arktiskt vindkraftverk En ny svensk isdetektor (26)

4 4 (26)

5 1. Presentationer från samarbetsprojekt 1.1 IEA R&D Wind, Annex XIX, Vindenergi i kalla klimat Finska VTT har varit koordinator i IEA:s samarbetsprojekt kring vindkraft i kalla klimat. Arbetet har pågått under perioden med, utöver Finland, deltagare från USA, Kanada, Schweiz, Norge och Sverige. Även Danmark deltog inledningsvis med huvuduppgift att upprätta en marknadsundersökning. Det danska intresset svalnade med stor sannolikhet pga av nedskärningar inom Risø forskningsorganisation efter valet En annan bidragande orsak till nedprioriteringen av vindkraft i kalla klimat kan ha varit den stora utbyggnaden på andra, mera lättbearbetade, marknader. Figur 1. Esa Peltola, VTT, Finland. Arbetsgruppen, med undertecknad som svensk deltagare, har tagit fram en statusrapport (som finns tillgänglig på och tillsammans skrivit rekommendationer för exploatörer av vindkraft i kalla klimat. Dessa råd kommer att publiceras på ovanstående hemsida i juni Annexarbetet har dessutom presenterats vid 6 olika konferenser. Vitsen med att utveckla tekniker för vindkraft i kalla klimat är att kunna utnyttja en vindenergipotential som visserligen finns på land, och därmed borde vara billigare jmf med havsbaserad vindkraft, men som pga nedisning och kyla inte är alldeles enkel att skörda. Därmed ökar risken och den sammanhängande kapitalkostnaden. De områden som hanterats är: Diskussionsforum med deltagare från såväl industri som exploatörer Klassificering av platser och verk Förslag till nya standarder för laster orsakade av nedisning Givare för kalla klimat inkl. isdetektor och vindgivare Avisning under drift och på stillastående verk I Finland finns det, förutom vid större reparationer, inga tecken som tyder på att låg temperatur ställer till med signifikanta problem för vindenergiproduktionen trots att det räcker med en oförsiktig utandning i ett elektronikskåp för att sätta ett vindkraftverk ur drift. Deltagarna har enats om att ansöka om att få fortsätta verksamheten under ytterligare tre år för att uppdatera rekommendationerna samt säkra erfarenheter från de stora vindkraftverk som byggts, eller kommer att byggas, i kalla klimat. Även Italien, Österrike och Tyskland har visat intresse för att delta i en fortsättning på Annex XIX. 5 (26)

6 1.1.1 Schweiziska erfarenheter Ordföranden i den Schweiziska vindenergiföreningen; Robert Horbaty, har varit landets representant inom IEA R&D Wind, Annex XIX. Figur 2. Robert Horbaty, ENCO Energie-Consulting AG, Schweiz, tillika ordförande i landets vindenergiförening. Det politiskt uppsatta nationella målet för vindkraft omfattar GWh till år Man har idag nått till drygt 10% av 50 GWh. En GIS 1 -studie har genomförts tillsammans med företrädare för många olika motstående intressen. I denna pekas 100 goda ställen ut med den sammanlagda potentialen 4 TWh. Platserna är jämt fördelade mellan Jurabergen och Alperna och till 90% belägna inom områden som kan definieras som kallt klimat. Den tekniska potentialen, dvs om hänsyn ej tas till motstående intressen, till en produktionskostnad lägre än 12 c/kwh är 12 TWh. Den för ändamålet använda ytan upptar knappt 2% av landets area och de flesta av dessa platser är belägna i Jurabergen längs den NV gränsen mot Frankrike. I Gütsch, som är den tyska dal där den norra delen av Gotthardtunneln ligger, pågår sedan 2002 ett intressant projekt med att integrera vindkraft i dalens elsystem. Här finns t.o.m. planer på att dalen med sina två vattenkraftverk skulle kunna vara självförsörjande med hjälp av stödet från vindkraft. Det ursprungliga 850 kw Lagervey-aggregatet med direktdriven generator är, efter bl.a. spektakulära bladreparationer utförda av alpinister, sedan oktober 2004 utbytt mot en E- 40, se Figur 3. Även i detta nya verk sker avisning med varmluft som cirkulerar inuti bladen med en beräknad konsumtion på 1% av den totala energiproduktionen. En intressant egenskap med E-40 är att den vid vindhastigheter över 25 m/s minskar effekten för att sedan inte stänga av sig förrän uppåt 35 m/s. På detta sätt kan verket producera 2-3% extra energi. Inte minst viktigt kan denna stormegenskap vara i stora parker som inte helt bör falla ifrån vid t.ex. en frontpassage. Även i själva Gottardpasset finns långt gångna planer på att bygga vindkraftverk intill kraftledningen som går mellan den tyska och den italienska dal som passet förbinder. 1. GIS = Geografiskt informationssystem. Ett organiserat sätt att elektroniskt hantera geografiskt relaterad information. Resultatet kan åskådliggöras överlagrat annan relevant kartinfo. 6 (26)

7 Figur 3. E-40 i Gütsch Svenska erfarenheter Figur 4. Göran Ronsten, FOI, Sverige. Sedan föregående konferens har den svenska driftrapporteringen i hög grad automatiserats. Detta har även medfört en minskad manuell incidentrapportering. Så kom t.ex. 1/3 av samtliga kallt väder-rapporter under 2003/2004 från ett 225 kwverk i Västergötland som vid låg temperatur förefaller ha problem med alltför låg pitchhastighet. Mörkertalet beträffande stopp och energiproduktionsförluster orsakade av nedisning är nu mycket stort. En möjlig källa till information är de felloggar som ägare och tillverkare har tillgång till. Om ett verk t.ex. stannar pga av vibrationer eller låg energiproduktion i förhållande till uppmätt vindhastighet så kan detta vara ett tecken på nedisning. Det är idag inte känt om industrin har analyserat sina felloggar avseende nedisning och därefter på ett systematiskt sätt även har sammanställt dessa uppgifter. Detta lär väl, om inte förr, ske när marknaden i kalla klimat bedöms vara tillräckligt stor. Idag förefaller ledande tillverkare, Enercon och Bonus undantagna, tyvärr inte att ta nedisning på riktigt allvar. Orsaken till detta är förmodligen att risken för energiproduktionsförluster idag tas av ägarna. Först när köpare avtalsvägen lyckas genomdriva kravet på att nedisning skall ingå i teknisk tillgänglighet så lär alla tillverkare som önskar konkurrera på kallt klimat-marknaden tvingas ta nedisning på allvar. 7 (26)

8 Nedisningsmätningar med isdetektor på maskinhuset kan vara ett annat sätt att ta reda på nedisningsfrekvens. Om finansiering kan ordnas kommer Sverige under de kommande fyra åren att delta i EU-samarbetsprojektet COST 727; Atmosfärisk nedisning av strukturer. Det slutliga målet är här att få till stånd kontinuerliga synoptiska nedisningsmätningar för att kunna verifiera prognosmetoder och ta fram nedisningsfrekvenskartor. Dessa kan sedan tjäna som dimensioneringsunderlag för master och vindkraftverk. Genast stöter vi då på problemet: Med vad skall vi mäta nedisning? En historisk anledning till att sådana mätningar idag inte ingår i de kontinuerliga meteorologiska observationerna har varit avsaknaden av en tillförlitlig isdetektor. Det är förresten inte ens klart vilken typ av nedisning som bör mätas eftersom inblandade parter är intresserade av olika saker. Vid mastdimensionering är man främst intresserad av maximalt ackumulerad ismängd och tillhörande maximal vindlast medan prognosmakaren endast intresserar sig för själva nedisningstillfället. Vindkraftägaren är i sin tur mest intresserad av hur länge isen sitter kvar på bladen och stör driften om inga andra åtgärder vidtas. Figur 5. Stråk av is till havs mellan Näsudden och Bockstigens vindkraftpark. Foto: Göran Ronsten. Det kan i framtiden bli aktuellt att av energibesparingsskäl tillämpa olika strategier för avisning av dimfrost och klaris. Ett fåtal typer av optiska isdetektorer kan idag skilja mellan dessa båda typer av is. Den mjölkvita färgen hos dimfrost beror på att nedisningen, fullt ut eller till viss del, har skett i torrt tillstånd. Vid högre temperatur och/eller hög hastighet kan nedisningen ske i vått tillstånd varvid luften inte stannar kvar mellan de frusna vattendropparna. Då bildas klaris, I Sverige finns idag endast 3 verk med avisning. De under drift fungerande avisningssystemen har varit outprovade och för dyra medan de som kräver att verket stoppas under avisningen inte har klarat annat än lättare nedisningsförhållanden. Låg energiproduktion i svenska fjällanläggningar, jämfört med den i ansökan för investeringsbidrag uppgivna nivån, tycks vara mer regel än undantag. Orsaken till detta är förmodligen myndighetskrav på förväntad hög energiproduktion för godkännande av investeringsbidrag i kombination med alltför korta vindhastig- 8 (26)

9 hetsmätningar på alltför låg höjd. Eftersom nedisningfrekvensen i regel ökar med ökande höjd så bör vindmätningarna ske upp till högsta bladpassagen eller åtminstone upp till navhöjd. Så sker sällan i praktiken eftersom nedisade mätmaster och stag tenderar att bli mycket vindkänsliga samtidigt som mätutrustningen kräver ytterligare energi för avisning. Figur 6. Förbipasserande is orsakar vibrationer och förvårar arbete och äntring. Även nedisningsproblem på havet fanns med i presentationen. Här finns bild på ett stråk av is vid Näsudden vilket kan orsaka problem för en mindre båt som nalkas i hög hastighet. Här finns även bild taget från tornfoten på hastigt förbipasserande is som skapar vibrationer och därmed försvårar såväl arbete som evakuering. Ett ev. fall medför här med största sannolikhet att personen krossas mellan is och torn. De kommande svenska projekten Aapua och Sjiska presenterades översiktligt. Aapua, beläget i Tornedalen ca 20 mil norr om Luleå och 10 mil från finska Olostunturi kommer att byggas sommaren 2005 och bestå av 7 st NM82 med 1,5MW märkeffekt vardera. 14 ägare står här bakom en sammanlagd investering på ca 140 MSEK för en beräknad årsproduktion på ca 35 GWh. En icke försumbar risk för nedisning kan komma att ställa till med produktionsproblem i Aapua. En annan plats där vindkompaniet planerar att bygga en större anläggning är på lågfjället Sjiska i Gällivare kommun. Figur 7. Vindkompaniets Illustration av Sjiskaprojektet på ca 200 GWh. Exploatörens stora utmaning är att finna en aggregattyp som är tillräckligt väl anpassad till nedisningsklimatet. För att kunna avgöra ifall en investering i avisningsutrustning kan komma att bli lönsam måste antaganden om intjänad energiproduktion göras. En sådan övning presentera i 9 (26)

10 Figur 8. Räkneexempel på högsta investeringskostnad för att tjäna in en investering i avisningsutrustning. Gula fält markerar kostnaden för Enercons avisningssystem vilket dock hittills inte har klarat annat än lätta nedisningsförhållanden. Förutsättningar: Elpris [ c] 4.5 Garanti [År] 2 Bankränta, utlåning [%] 6 Inflation [%] 2 Bankränta inlåning [%] 2 Reparation [% av invest.] 5 Presentationen med de svenska erfarenheterna finns tillgänglig på NEW ICETOOLS EU-projektet NEW ICETOOLS har pågått mellan 2002 och 2004 och syftat till att utveckla verktyg för att minska riskerna med vindenergiinvesteringar i kalla klimat. Med erfarenheterna från EU-projektföregångaren WECO i bagaget har man inom NEW ICETOOLS kunnat ägna sig åt mera detaljerade studier och mätningar av nedisning. Sverige bidrog med last-, video och senare även isdetektormätningar från Suorvaaggregatet, utvärdering av dessa samt studier av driftstatistik från Rodovålen. I Österrike har man analyserat meterorologiska data från synoptiska stationer med avseende på nedisning. De framtagna isfrekvenskartorna är nu mera detaljerade jmf. med resultatet från föregångsprojektet WECO. Dessutom ingår de 10 nya EU-länderna i studien. Ett exempel, som visades vid BOREAS VI återfinns i Figur (26)

11 Figur 9. Tidig nedisningsfrekvenskarta framtagen inom NEW ICETOOLS vilken presenterades vid föregående BOREASkonferens. Ref. Hartwig Dobesch, Österrike. Inom NEW ICETOOLS kom det väl till nytta att FMI samtidigt har deltagit i ett samarbete med de franska och schweiziska väderlekstjänsterna i syfte att genom fältmätningar studera olika detektorer för bruk i kall a klimat. Den slutliga rekommendationen avseende vindmätare omfattar en ultrasonisk anemometer som nu i stort antal köpts in av t.ex. den tyska väderlekstjänsten. En invändning mot denna typ av detektor är att den monterad på ett maskinhus på ett vindkraftverk riskerar att bli utan elförsörjning under längre tid vilket kan skada den fuktkänsliga elektroniken. Vid en vindkraftsanläggning i Alperna har t.ex. mer än hälften av alla anemometrar av denna typ fått bytas ut efter ett par års drift. En ny typ av mindre, såväl till dimensionen som noggrannhetsmässigt, ultrasonisk anemometer; FT702LT, har sedan 2003 annonserats för bruk på NEG Micon-verk bl.a. på NM72/NM (26)

12 Figur 10. FT702LT, en ny typ av kompakt ultrasonisk anemometer för bruk i kalla klimat. Noggrannheten uppges vara 4% vilket är sämre jmf med konventionella anemometrar. Å andra sidan är inte noggrannhetskravet av primärt intresse vid reglering av vindkraftverkets drift. Det är däremot att kunna mäta vindhastighet även under svåra nedisnings- och nederbörds- förhållanden för att undvika onödiga driftstopp. Figur 11. Bengt Tammelin, FMI, Finland. Koordinator för NEW ICETOOLS har varit Bengt Tammelin vid FMI; den finska motsvarigheten till Sveriges SMHI. Övriga deltagande länder har varit Tyskland, Österrike och Sverige. Här, till skillnad från inom det mera sammanställande IEA Annex XIX, har det praktiska arbetet, genom bland annat mätningar skapat egna användbara resultat. Nedisningsprognoser, detektering av is, analys av lastmätningar, enkäter och genomgång av europeiska lagar och föreskrifter är några av de saker som deltagarna har ägnat sig åt. FOI har bl.a., baserat på en nyutvecklad typ av isdetektor från HoloOptics, inom NEW ICETOOLS genomfört nedisningsmätningar i Suorva. En enskild detektor kommer att få ett pris som uppgår till en tiondel av kostnaden för en ordinär isdetektor. Detektorn kan, beroende på val av reflexmaterial skilja mellan klaris och dimfrost samt mäta varaktighet och med uppvärmning även nedisningens intensitet. Figur 12. Resultat av 40 dagars mätningar i Suorva med isdetektor från HoloOptics. Den uppvärmda givaren överst visar intensitet medan den ouppvärmda visar nedisningens varaktighet. Rolf Westerlund vid HoloOptics har utvecklat detektorn. 12 (26)

13 Teknikgruppen har analyserat uppmätta laster i Suorva och tillsammans med VTT föreslagit förändringar i GL:s standard avseende dimensionerande lastfall. Redan något så till synes ovidkommande som rimfrost kan genom att orsaka omslag till turbulent strömning kombinerad med sin varaktighet påverka ett aggregats beräknade livslängd. Det är inte de enskilda bladen som märker av en större förändring. Det gör däremot de mera fixa systemen maskinhus och torn vilka får ta emot summan av de enskilda bladlasterna. Eftersom bladen inte nedisas symmetrisk så ger nedisning alltid upphov till 1 per varv (1P) störningar. Det var med förvåning som vi från NEW ICETOOLS-projektets sida kunde notera att GL vid sin presentation på BOREAS-konferensen inte hade tagit hänsyn till våra rön som antyder en, med massfördelning jämförd, relativt stor aerodynamisk påverkan. Som skäl uppgav GL:s representant att några av tillverkarnas beräkningsprogram idag har svårt att hantera en sådan aerodynamik. Vore det ändå inte lämpligt att införa ett lastfall med långvarig rimfrost samt ett fall med en större aerodynamisk ispåverkan och på så sätt tvinga fram utveckling av räkneverktygen istället för att lägga sig platt? Den aerodynamiska effekten av nedisning kan som en första approximation simuleras genom en skillnad i bladvinkelinställning mellan de olika bladen. Bättre vore dock att ta hänsyn till ökat profilmotstånd och de förändrade lyftkraftsegenskaper som isen orsakar Tyska erfarenheter Figur 13. Michael Durstewitz, ISET, Tyskland. Med ett frågeformulär på olika språk som bas har Michael Durstewitz samlat in och bearbetat kallt klimat-relaterade incidenter från Sverige, Österrike, Finland och Tyskland. Han har även extraherat kallt-klimatrelaterade stillestånd ur den databas som är knuten till det tyska 250 MW-programmet. Svarsfrekvensen är tyvärr låg och tillförlitligheten, liksom i det svenska fallet, därmed dålig. Den enkät som fanns tillgänglig på nätet resulterade t.ex. inte i ett enda svar. Den svenska rapporteringen, som utgör 25% av Durstewitz underlag, är hämtad från Elforsks driftdatabas. Eftersom detta trots allt är det bästa material som idag finns att tillgå så har han tvingats dra slutsatser baserat på befintligt materiel. I den tyska databasen finns exempel på vindkraftverk som stått stilla i någon vecka p.g.a. av nedisning och att girsystem har havererat eftersom isen effektivt har hindrat girrörelser. Nedisning sker i Tyska kusttrakter företrädesvis vid temperaturer mellan -3 och 0. I högre liggande terräng finns en tendens till att temperaturen vid nedisning kan vara lägre, ned till -10. Orsaken till detta är med stor sannolikhet att drift i moln vid minusgrader innebär risk för nedisning. 13 (26)

14 1.2.2 Finska erfarenheter Figur 14. Timo Laakso, VTT, Finland. Låg temperatur har enligt tillgängliga statistikuppgifter inte ställt till med några problem för driften vid i Finland belägna vindkraftverk. Det har däremot nedisning. VTT:s Timo Laakso har därför tillbringat ett vinterhalvår i finska Tornedalen för att på ort och ställe kunna dokumentera händelseförloppen. I Finland finns Labko som tillverkar isdetektorer och Vaisala som internationellt är mycket stora inom sensorer och system inom meteorologiområdet. Finland har, till skillnad från Sverige, en tillverkare av vindkraftverk; WinWind, vars produkter, bortsett från avisning, redan från början är anpassade till kalla klimat. Tekniken bygger på tyska konsultföretaget Aerodyns Multibridkonceptet med en enstegs växellåda och en mångpolig generator. Svensk generalagent är Aerodyn i Karlskoga. De tyska och svenska företagen Aerodyn har ingen annan koppling än att namnen råkar vara samma. Figur 15. Trots kontinuerlig avisning räcker inte effekten till att i alla lägen avisa bladen. Den svarta kurvan visar för aggregatet tillgänglig vindenergi uppmätt med en uppvärmd anemometer. Den röda kurvan visar effekten från ett verk med konstant påslagen avisning medan effekten från ett oavisat verk framgår av den blå kurvan. 1.3 COST 727 Mellan 26 april 2004 och 25 april 2009 pågår EU-samarbetet COST 727; Atmosfärisk nedisning av strukturer. Initiativtagare till COST 727 är BOREAS-konferensarrangören Bengt Tammelin från FMI, den finska motsvarigheten till svenska SMHI. Tammelin är ordförande för COST 727 medan Henry Seifert, tidigare vid tyska DEWI men numera vindkraftprofessor vid Bremerhavens högskola, är vice ordförande. 14 (26)

15 Figur 16. Bengt Tammelin, FMI, Finland. Målsättningen är att få till stånd kontinuerliga synoptiska nedisningsmätningar på samma sätt som andra grundläggande meteorologiska mätvärden i dag hanteras. Att sådana mätningar än idag inte förekommer beror främst på avsaknaden av en för ändamålet lämplig sensor. Sverige deltar, efter Regeringsbeslut, här tillsammans med 11 ytterligare länder och japanska Kanagawa Institute of Technology. Någon samlad finansiering för det svenska deltagandet finns dock ännu ej. Under det första året sammanställer deltagarna befintlig information i en statusrapport. Arbetet är uppdelat i tre arbetsgrupper där den första studerar nedisningens fysikaliska orsaker, den andra mäter nedisning och den tredje verifierar och utvecklar prognosmetoder. Efter år ett vidtar en treårig mätperiod som följs av sista årets utvärdering. Den svenska representationen är fulltalig, dvs det finns utöver de nationella representanterna Göran Ronsten från FOI och Mikael Magnusson från SMHI även två svenska representanter i varje arbetsgrupp. Mera info om COST 727 finns på Arbetsgrupp 1, Nedisningens fysik Figur 17. Lasse Makkonen, VTT, Finland. VTT:s Lasse Makkonen är ordförande för den arbetsgrupp inom COST 727 som skall försöka finna samband som styr nedisning av strukturer. Oomtvistade parametrar är vindhastighet och temperatur. Idag mäts den relativa luftfuktigheten och, i brist på annan information, används denna som ett mått på risken för nedisning. Makkonen har visat att det istället är droppstorlek och luftens innehåll av flytande vatten som är de primärstorheter vilka tillsammans med vindhastighet och temperatur styr nedisningshastigheten. Ett problem är att mätning av droppstorlek och luftens innehåll av flytande vatten idag inte är vanligt förekommande. Orsaken till detta är brist på lämpliga sensorer. För att kunna avgöra droppstorleken har Makkonen själv föreslagit mätningar på en stav med 7 olika cylinderstorlekar. Vägning av ackumulerad ismängd på 4 av 7 diametrar räcker för att fastställa medeldroppstorlek. Hanteringen av denna prototyputrustning är idag manuell. Arbete pågår därför inom VTT för att automatisera isprovstaven. Sikt kan vara ett relevant mått på luftens innehåll av flytande vatten. Sådana detektorer finns idag tillgängliga från flera tillverkare. Det återstår att se ifall för nedisning intressanta siktvärden på mellan m är lämpliga att mäta med sådan utrustning och hur beroende sambandet mellan sikt och luftens innehåll av flytande vatten är av droppstorleken. Helt klart är att relativ luftfuktighet enligt WMO 1 :s definition vid minusgrader inte utan omräkning kan användas för att med hjälp av ett procentvärde, t.ex. 1. WMO - World Meteorological Organization 15 (26)

16 95%, indikera risk för nedisning. WMO har, för att av någon anledning undvika att behöva ange relativ luftighet över 100%, använt uppmätt fuktighet med referens till vatten istället för is. Det är inga problem att räkna om relativa luftfuktigheten mellan dessa båda referenser, det gäller bara att vid varje tillfälle veta vilken referens som används. Arbetsgruppen skall inventera kunskapläget inom området, analysera mätdata samt föreslå förbättrade prognosmodeller. Svenska representanter är Eva Sundin från Vattenfalls dotterbolag Swedpower i Luleå och Staffan Meijer från FOI Arbetsgrupp 2, Nedisningmätningar Figur 18. Svein Fikke, Norge. Med mångårig erfarenhet från Stattnet, den norska motsvarigheten till Svenska Kraftnät, har Svein Fikke, som numera är oberoende meteorologisk konsult, axlat rollen som sammanhållande i arbetsgrupp 2 inom COST 727. Mätresultaten förväntas utgöra en helande länk mellan arbetsgrupp 1 och 3. För att kunna jämföra mätningar på olika platser och olika givare kommer gruppen att enas om gemensamma datalagringsformat. Det finns idag några standarder som behandlar mätning av nedisning: IEC 61774: Overhead lines - Meteorological data for assessing climatic loads ISO 12494: Atmospheric Icing of Structures Den sistnämnda standarden anger att nedisningsmätning skall ske på en roterande, halv meter lång cylinder med 30 mm diameter. Det råder f.n. oklarhet kring ifall cylindern kan vara fritt roterande eller måste drivas rund med motor. Vid svår nedisning skall cylinderlängden, för att minska randeffekterna, ökas till 1 m. Vid Studnice i Tjeckien har nedisningsmätningar pågått sedan 1940 vilket är en rekordlång mätserie. Nedisning sker här för det mesta i moln och då i form av dimfrost. Underkylt regn, dimfrost och snöblandat regn skapar var för sig unika krav på detektering. Utmaningen blir inte heller lättare av att intensitet, varaktighet och ackumulerad isförekomst skall bestämmas. Fikke visade olika typer av isdetektorer och deras olika användningsområden. För en komplett uppräkning hänvisas till BOREAS-dokumentationen vilken finns att köpa hos FMI, Svenska representanter i arbetsgrupp 2 är Per-Erik Persson från AerotechTelub och Dietmar Letalick från FOI. Vice ordf. är Göran Ronsten, FOI. 16 (26)

17 Figur 19. Nedisad kraftledning i Lønarhorgi, Voss, på 1400 meters höjd i april Isdiametern är 1.4 m. Uttryckt i kg/m motsvarar ismassan en bilkö utan avstånd mellan bilarna. Publicerat med tillstånd av Svein Fikke Arbetsgrupp 3, Prognosmetoder och frekvenskartor Figur 20. Kari Ahti, FMI, Finland. Ordinarie ordförande i arbetsgrupp 3, Dr. Hartwig Dobesch från meteorologiska institutionen i Wien (ZAMG), kunde tyvärr inte delta vid BOREAS VII. Dr Dobesch specialintresse är GIS-databearbetning och det är han som tillsammans med kollegor vid institutionen har tagit fram bl.a. nedisningskartan i Figur 9. Nu fick istället Kari Ahti från FMI tillfälligt ta över ansvaret för arbetsgruppen. Ahti presenterade isprognosmetoder för Finland och inledde med att konstatera att underkyld nederbörd, tvärtemot förhållandena i Nordamerika, i ackumulerad form inte ställer till med några problem för flyget i norra Europa. Detta var första gången som flygets problem med nedisning hanterades inom COST 727. Från början var avsikten att helt avstå från att hantera andra föremål än sådana som sitter fast förankrade i marken. I praktiken avgörs dock inriktningen på arbetet i gruppen till viss del av de uppdrag och intressen som deltagarna representerar. Ahti menar att verifiering av nedisningsmätningar bör ske mot de enda nedisningsprognoser som idag är i kontinuerlig drift, nämligen de som används inom flygbranschen. Finland använder samma prognosmodell (HIRLAM) som Sverige och har dessutom utvecklat den i Sverige utvecklade nedisningsmodellen. I moln avtar inte nödvändigtvis temperaturen proportionellt mot stigande höjd. Snöblandat regn i moln utgör därmed en fara i en betydligt större utsträckning i höjdled jmf med vad standardatmosfären antyder. Snöblandat regn utgör störst fara vid temperatur mellan +0.2 till Skadornas omfattning på t.ex. skog är starkt beroende av total nederbördsmängd. Nedisning i form av dimfrost sker i moln med en för det nedisade föremålet passande droppstorlek. Ahti visade karta med de kritiska höjder över medelterrängen som i Finland orsakar nedisning som är svårare än 7,5 kg/m. Det rör sig här om höjder från 100 m i söder till 200 m i norra Finland. Ahti har även arbetat tillsammans med Lasse Makkonen med att ta fram underlag dimensionera kraftledningar ur nedisningshänseende samt med att vidareutveckla den svenska nedisningsmodulen i HIRLAM. 17 (26)

18 En intressant tillämpning av FMI:s nedisningsmodul är de nedisningsfrekvenskartor som Ahti tagit fram. Det vore synnerligen intressant att utföra motsvarande arbete med svenska data. Svenska representanter i arbetsgrupp 3 är Esbjörn Olsson från SMHI i Sundsvall och Hans Bergström från Uppsala universitet. Även Sveriges biträdande representant i COST 727; Mikael Magnusson från SMHI, har för avsikt att delta i gruppens arbete. 18 (26)

19 2. Övriga COST 727-presentationer 2.1 Mätningar under besvärliga förhållanden MeteoSwiss deltar tillsammans med bl.a. FMI i utvärdering av givare för kalla klimat. Schweiz representant vid BOREAS VII var Alain Heimo. Figur 21. Alain Heimo, MeteoSwiss, Schweiz. Slutsatserna från de inledande samarbetsprojekten i början av 1990-talet var: Nedisning omöjliggör i stort sett noggranna mätningar Nedisning har inte kunnat karaktäriseras med isdetektorer och meteorologiska standardparametrar Det förefaller vara svårt att bygga en givare som är både tålig och noggrann. Eftersom ovanstående problem kvarstod vid mätningar som utfördes mellan så har WMO inlett arbetet med att inom arbetsgruppen CIMO-XIX; Expert Team on Surface Technology and Measurement Techniques, revidera CIMO Guide No 8, Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation. Arbetet beräknas pågå MeteoSwiss satsar på att utvärdera och integrera givare för besvärliga förhållanden i det ordinarie nationella mätdatainsamlingssystemet. Avsikten är även att utveckla en egen isdetektor som uppfyller kraven i ISO Med hjälp av meteorologiska standardparametrar, men utan isdetektor, hoppas man sedan kunna avgöra när nedisning verkligen förekommer. 19 (26)

20 2.2 Vindtunnelprov av en ny isdetektor Figur 22. Shigeo Kimura, Japan. Vid mässan WindEnergy i Hamburg i maj 2004 visade det tyska företaget Infralytic ( upp en ny typ av isdetektor. Denna kan m.hj.a. av lysdioder, fiberoptik och ljusets brytning i turbinbladsytan skilja mellan klaris, dimfrost, smuts och ett finger. Shigeo Kimura från Japanska Kanagawa Institute of Technology kunde nu visa resultat från prov med utförda i en istunnel. Att is verkligen finns på bladytan konstateras i tunneln med hjälp av reflexion och absorption av infrarött ljus i modellytan. Testerna utfördes på en symmetrisk profil av typen NACA0015 vid 18 m/s. Prov med klaris (= våt nedisning utan luftinblandning) utfördes vid -3 C medan dimfrost skapades under en torr process vid -18. Kimura konstaterade att givaren, efter sedvanliga igångkörningsproblem som Infralytic åtgärdade, nu fungerar som avsett. Detektering sker mycket snabbt men istjockleken kan inte mätas med denna metod. 2.3 Nedisning på atomnivå Figur 23. Michael J. Rossi, Lausannes Tekniska Högskola. Hur nedisning startar på atomskiktskala är viktigt att veta för den fortsatta istillväxten. För att nedisning i praktiken skall kunna ske vid enstaka minusgrader krävs att vattendroppen antingen träffar en partikel eller ett föremål. Underkylt vatten kan förekomma i partikelfri atmosfär vid temperaturer ned till -40. Relativ luftfuktighet, med is som referens, på långt över 100% har uppmätts i den övre troposfären. Den av fukt övermättade luften innebär ökad risk för nedisning. Under föredraget presenterade Rossi mätningar som ger en uppfattning om egenskaperna hos den första nedisningsfasen respektive den sista sublimeringsfasen. 2.4 Verifiering av nedisningsmodeller för kraftledningar De prov som Brian Wareing har utfört för att verifiera nedisningsmodeller för kraftledningar är av kommersiell natur varför Wareing endast kunde visa en begränsad del av sina resultat. 20 (26)

21 Figur 24. Brian Wareing, Brian Wareing. tech Ltd, Storbritannien. Vid proven har man tillgång till en mycket välutrustad kraftledningssträcka på 200 m. Följande parametrar anses vara av betydelse för nedisningshastigheten: Vindhastighet Vindriktning Lufttemperatur Nederbördshastighet Luftens innehåll av flytande vatten (m.hj.a. laserinstrument, Gerber ) Droppstorlek Relativ luftfuktighet Sikt Prov för att verifiera Makkonens nedisningsmodeller kommer att utföras åtminstone t.o.m. april Isobservation med web-kamera jmf med meteorologiska parametrar Figur 25. Knut Harstveit, Norges Meteorologiska Institut, Norge. På berget Gamlemsveten har en web-kamera under mer än två år använts för att mäta istjocklek på staget till en vindmätmast. Mätresultaten har därefter jämförts med meteorologiska uppgifter från den närmast belägna flygplatsen; Vigra. Slutsatserna är: Två kameror bör användas. Den ena, för översiktsbilder, skall vara monterad eller utrustad på så sätt att dess funktion är okänslig för dimma och nedisning. Den andra kameran skall monteras för att på bästa sätt kunna uppskatta istjocklek. Det råder god korrelation mellan väderdata från närbelägna Vigra omräknat till förhållandena på Gamlemsveten. 21 (26)

22 2.6 Nedisning, avisning och säkerhetsavstånd Figur 26. Lorenzo Battisti, Universitetet i Trento, Italien. Professor Battisti ger kurser kring nedisning i Danmark. De tre presentationerna från Battistis institution behandlade nedisningens inverkan på strukturdynamik, effektkrav på avisning och säkerhetsavstånd vid risk för iskast. Strukturdynamikarbetet har bl.a. utförts i samarbete med Danmarks Tekniska Universitet, DTU. För nedisningsberäkningar har koden MULTICE har använts av italienska CIRA. Baserat på simuleringar av aggregat och nedisning konstateras, liksom i NEW ICETOOLS-projektet, Kapitel 1.2, att varken de enskilda bladen eller primäraxelns böjmoment påverkas av nedisning medan böjmomentet i tornfoten påverkas mycket kraftigt. Samtidig simulering av massfördelning och förändrad dynamik krävs för ett rättvisande resultat. För avisning presenterade Battisti en lösning med en perforerad framkant från vilken varmluft skall tillåtas sippra ut. Effekt- och energibehov uppges vara måttliga men det återstår att testa metoden i praktiken. Frågor om känslighet för smuts och tillverkningsmöjligheter fick svaret att detta var saker som man hade funderat på och löst. En fördel med tvåbladiga aggregat är att risken för iskast vid oförändrad hastighet minskar med antalet blad. Battisti presenterade även en metod för att räkna ut risken för iskast som funktion av vindhastighetsfördelning och vindriktning för en viss plats. 22 (26)

23 2.7 Certifiering för kalla klimat Figur 27. Jochen Gasser, GL. Tyskland. GL (Germanisher Lloyd) presenterade sina uppdaterade men fortfarande preliminära certifieringskrav för vindkraftverk avsedda för kalla klimat. Listan är mycket lång och omfattar speciella lastfall, krav på rotorblad, maskinkomponenter, övrig struktur, elsystem samt säkerhets och reglersystem. GL:s definition av kallt klimat är enbart temperaturberoende; minst 9 dagar med en medeltemperatur under -20 C. Ingen hänsyn tas till nedisning. Som skäl för detta angavs att tillverkarna har svårt att anpassa sina beräkningsprogram för att hantera nedisning. Krav finns på lista över utrustning som skall värmas och vilka smörjmedel som får användas. De sistnämnda skall klara hela det på platsen rådande temperaturintervallet. Vid låg temperatur får turbinen inte rotera fritt utan skall låsas eller bromsas eftersom smörjning av växellådan då är bristfällig. Detta skall även ske automatiskt vid nätbortfall. Isdetekteringssystem kan certifieras av GL under förutsättning att uppsatta villkor är uppfyllda. Dessa omfattar flera redundanta system såsom godkänd isdetektor på maskinhuset, givare för att i moln kunna detektera nedisning ovan navhöjd, jämförelse med nominell vind-effektkurva samt kontinuerlig mätning av vindhastighet och vindriktning. Vindkraftverket skall stängas av vid indikerad nedisning. 23 (26)

24 2.8 Nedisningsmätningar i Österrike Figur 28. Dimitar Nikolov, Bulgarien. Dimitar Nikolov från NIMH 1 i Bulgarien har tillsamans med Hartwig Dobesch från Österrikiska ZAMG studerat nedisning i en mast i Oberstralbach (AT). Mätningarna utfördes på 20 och 40 meters höjd under vintrarna 2002/2003 och 2003/ Nikolov konstaterade 35 signifikanta nedisningstillfällen under den första vintern medan antalet uppmätta tillfällen knappt hann passera 10 under den därpå följande vintern. Detta lägre antal kan delvis förklaras med att ett blixtnedslag förstörde mätutrustning och att mätningarna därför stod stilla under två vintermånader. Dimfrost (isbildning i moln eller dimma) är mest vanligt förekommande i Oberstralbach. Underkylt regn förekommer i mindre än 20% av de uppmätta fallen. Jämförelser mellan uppmätt och beräknad nedisning visar att medelvind, medeltemperatur och nedisningens varaktighet är storheter som bör vara kända för att kunna beskriva det genomsnittliga nedisningsförloppet. 1. NIMH - National Institute of Meteorology and Hydrology 24 (26)

25 2.9 Nedisningsmätningar i Tjeckien Figur 29. Jiri Hosek & Jaroslav Chum, Tjeckiska Institutet för Atmosfärsfysik. Jirí Hosek och Jaroslav Chum från det Tjeckiska Institutet för Atmosfärsfysik i Prag har utvecklat och testat en ny isdetektor. Vikten hos en stillastående cylinder med standardmåtten l=0.5m och d=30mm mäts kontinuerligt. Cylindern är inte uppvärmd utan isen tillåts att växa obegränsat. Man kan naturligtvis fundera på hur relevant den ursprungliga diametern är efter en intensiv nedisningsperiod. Detta är en fråga som på intet sätt är unik för den tjeckiska isdetektorn. Mätningarna utfördes i Mileskova och Nova Ves i NV delen av Tjeckien. Maximalt ackumulerad ismängd under perioden är 2.6 kg på den halvmetern långa cylindern. Relativ luftfuktighet konstaterades vara en otillförlitlig parameter för att prediktera nedaisning. Luftens innehåll av flytande vatten bör mätas vilket indirekt kan ske genom siktvärdesmätning. En analys av de kontinentala vädersituationer som har rått när nedisning inträffat tyder på att det i utförda väderanalyser kan finnas andra, idag inte använda, parametrar som bättre beskriver nedisningsintensiteten. Vilka dessa kan vara återstår att undersöka. T.ex. kan vertikal vindhastighet i kombination med sikt och luftfuktighet kanske användas för att prediktera nedisning. Om så är fallet så finns redan idag omfattande nedisningsmätningar i befintliga mätdatabaser. Ett sådant antagande återstår dock att bevisa genom jämförelse med direkta nedisningsmätningar. 25 (26)

26 2.10 Nedisningsmätningar i Tyskland Figur 30. Bodo Wichura, Tyska Vädertjänsten. Bodo Wichura från den Tyska Vädertjänsten (Deutscher Wetterdienst) kunde visa upp resultat från nedisningsmätningar, vilka inleddes i början på 1960-talet, i det forna Östtyskland. Då skedde mätningarna manuellt en gång om dagen. Idag använder man isdetektorn EAG 200 och mäter kontinuerligt dess respons. Nedisningsdata från tre olika platser; Arkona vid östersjökusten samt Zinnwald och Falkenberg i inlandet, presenterades. På de två första platserna mäter man nedisning på 2 och 5 meters höjd. medan mätningar sker på 5, 50 och 90 m i en mast i Falkenberg. Som väntat ökar den ackumulerade ismängden med höjden. En intensitetsplot med tid och höjd på axlarna visar på ett mycket illustrativt sätt hur nedisning på olika höjd varierar i varierar i tiden. Enligt Wichura planerar man i Tyskland för en kraftig utbyggnad av antalet väderstationer som kan mäta nedisning Mätning och simulering av ett arktiskt vindkraftverk. Figur 31. Simo Rissanen, VTT, Finland. För att vid VTT simulera vindkraftverk används ADAMS med tillhörande vindkraftmodul. ADAMS är en för strukturdynamiska simuleringar avsedd generell programvara som dock saknar såväl reglersystem som simulering av elnätets egenskaper. Man har löst detta genom att samköra beräkningarna med andra program som är speciellt framtagna för detta. Elnätet beskrivs därför i PSCAD/ EMTDC medan Simulink används för reglersystemet. Vid ett av de nedisningstillfällen på Bonus 600 kw som Simo presenterade motsvarade ismängden en felpitchning på ett blad med 5-7 eller en massobalans på 15 kg. Uppmätta nätstörningar kan simuleras och Simo visade ett exempel på detta. I Sverige används Teknikgruppens program VIDYN för att simulera respons hos ett vindkraftverk. I VIDYN anpassas koden till varje nytt aggregat och beräkningarna omfattar även elnätets egenskaper och regleralgoritmer. VIDYN är därmed idag betydligt snabbare att köra jämfört med kombinationen ADAMS/ (PSCAD/EMTDC) och Simulink En ny svensk isdetektor Patrik Jonsson från AerotechTelub kunde visa upp företagets nyutvecklade isdetektor IceMonitor. Mera info om denna finns på 26 (26)