Kapitel 8. Vindkraftarbete i kallt klimat

Transkript

1 Kapitel 8. Vindkraftarbete i kallt klimat Isbildning och vindkraft I och med den allt mer nordliga exploateringen av vindkraft, då vindresurserna visat sig vara goda även i terräng med skog och kala fjällområden, stöter man på nya problem relaterade till kylan. Konventionella standardverk fungerar ibland mycket sämre i arktiskt klimat vid påverkan av kyla och vinterförhållanden. Det är dock möjligt att anpassa befintliga vindkraftverk eller konstruera nya som är speciellt anpassade för denna typ av klimat. Kylan kan tillexempel innebära att egenskaperna hos stålet förändras och det blir sprött, vilket lättare leder till brottanvisningar eller sprickor. Detta kan turbintillverkarna ganska enkelt avhjälpa med en annan typ av kvalité på stålet som bättre står emot kylan ett s.k. köldhärdigt stål. Det kan också handla om att elektroniken börjar krångla då den utsätts för fukt och kyla, vilket i sin tur leder till säkerhetsrisker om inte t.ex. kontrollsystemet fungerar som det ska. Eller så kan det vara att fettet i huvud- och generatorlager inte klarar av kylan och måste köldanpassas, eller att oljan i växellådan måste förvärmas till lämplig arbetstemperatur innan turbinen kan starta etc. Oftast är det ett mindre problem med kylan så länge verket inte stått still en längre stund eftersom komponenterna i vindkraftverket själva alstrar lite värme när turbinen snurrar. Fukt och snö kan naturligtvis påverka de elektriska komponenterna så att de börjar krångla. Däremot innebär isbildning på de yttre turbindelarna såsom torn, anemometer, FT sensorer och trappan in till verken vissa problem. Isen har kanske störst inverkan på bladen. Generellt sett kan man säga att det kan bildas tre olika typer av is beroende på vilken typ av väderförhållanden som råder; rimfrost, dimfrost eller is. Även snöblandad nederbörd som inte avlägsnas kan orsaka problem. Nästan oavsett vilken typ av is som bildas på t.ex. rotorbladet så förändrar den bladets aerodynamiska karaktär vilket i sin tur kan leda till vibrationer, buller, förslitningsskador och förkortad livslängd på andra komponenter som följd. När de aerodynamiska förhållandena ändras leder det till försämrad produktion för hela turbinen, eftersom turbinen inte kan utnyttja hela sin kapacitet. Om isen lossnar och slungas iväg, kan den också innebära risk för omgivningen. Isbildning på anemometern uppe på nacelltaket leder till att vindkraftverkets styrsystem sätts ur funktion, vilket följaktligen resulterar i att verket stoppas, då verket inte längre kan känna om det blåser eller från vilket håll vinden kommer. Se bild 15. Detta ger i sin tur problem med stora produktionsbortfall under vinterhalvåret vilket i förlängningen leder till missnöjda kunder. Bild 15 ovan. Bilden illustrerar isig vindmätningsutrustning. Foto från Studie av vindgivare och FT sensor i kallt klimat 2010 av Jenny Ahtola

2 I sådana lägen där vindriktningsvisaren isat igen, kan servicetekniker bli tvungna att klättra upp på nacelltaket för att manuellt avlägsna is från anordningen och därmed få ingång verket igen. Se bild 16. Detta är en riskfylld uppgift och kräver stort fokus på säkerhet och riskbedömning från teknikerns sida, då det ofta är risk för ishalka uppe på taket, samtidigt som vinden friskar i och det finns små möjligheter att hålla i sig. För att komma tillrätta med problemet har det visat sig att det i de allra flesta fall kan räcka med att man installerar någon typ av uppvärmning av sensorerna, om verket skall stå i arktiskt klimat. Det kan t.ex. handla om att montera en värmekabel i mätaren som gör det svårare för isen att bygga på. Bild 16 t.h. Bilden illustrerar ett isigt tak på en nacell. Fotograf: Marcus Carlström, YH Vind Bild 17 t.v. Bilden illustrerar en trappa in till ett vindkraftverk som skadats av fallande is. Bilden är hämtad från Svensk Vindenergis seminarium gällande Hälsa och Säkerhet från 26 mars Om man som tekniker kommer fram till en turbin, där det är mycket snö och is framför ingången, kan det innebära stora risker dels att få fallande is på sig (se bild 17) när man befinner sig utanför turbinen, dels att behöva skotta/hacka sig fram för att ta sig uppför trappen och fram till turbindörren, för att därefter kunna komma in felsöka, åtgärda och få igång en stillastående turbin (se bild 18). För en tekniker innebär detta ett fysisk ansträngande moment och dessutom en förhöjd risk för skador genom sträckningar och halkolyckor innan det är klart. Dessutom blir teknikern troligtvis varm och kanske svettig, vilket ökar risken för förfrysning, när man sedan är klar och kyls ned under arbetet inne i turbinen. Tiden som läggs på skottande förlänger också turbinens stilleståndstid vilket i sin tur, leder till förluster i produktion även om vindförutsättningarna är goda för tillfället. Några av tillverkarna av turbiner experimenterar fram lösningar för att på något sätt installera värme i eller på bladen för att få bukt med problemen kring isbildning. I dagsläget finns inget 100 % alternativ under riktigt svåra isförhållanden, men många tillverkare är på god väg. Bild 18. Bilden visar en tekniker som tar sig uppför en isig trappa för att komma in i en turbin. Bilden hämtad från Svensk Vindenergis seminarium gällande Hälsa och Säkerhet från 26 mars 2012.

3 Produktionsbortfall I takt med utbyggnaden av vindkraft i norr ökar också tillverkarnas intresse att kommat tillrätta med problematiken kring isbildning på vindkraftverken. Mellan 20-50% i produktionsbortfall räknar man med under riktigt svåra nedisningsförhållanden, problem som ibland kan pågå i flera månader. Som exempel på detta kan ges Äppelbo i Dalarna, där ett vindkraftverk stod stilla under november 2002 till januari 2003 p.g.a. is, vilket enligt uppgift ska ha kostat ägaren 100kSEK i produktionsbortfall under denna period. Bild 19. Fotot illustrerar ett isigt vindkraftverk. Bilden hämtad från den Vindkraftverkets prestanda påverkas av i hur hög grad bladet utsatts för nedisning samt var på bladet isen sitter. Se bild 19. Effekt brukar räknas ut genom att ta varvtalet gånger momentet, vilket innebär att ett blad med samma area hela vägen kan vara mer effektiv ju längre ut på bladet man mäter. Därför är det ofta bra med långa blad som genererar stor svepyta. Förhållandet gäller dock inte hela vägen ut till spetsen eftersom strömningen runt bladet, som orsakar förluster måste räknas bort. Nedan visas ett diagram som visar förlusten i prestanda vid nedisade respektive isfria blad (se tabell 3).

4 Tabell 3. Tabellen visar hur turbinen påverkas av isbildning på bladen. Vid 17m/s producerar vindkraftverket strax över 600kW utan is på bladen, men med 10 % isbeläggning på vingarna sjunker effekten till 500kW. Tabellen är hämtad från Elforsk rapport 04:13 från maj 2004 av Göran Ronsten, FOI. Vindkraftverkets placering, vindriktningen, vindhastigheten, lufttrycket, luftfuktigheten, temperaturen i luften samt nederbörden är några av faktorerna som har betydelse för att is ska bildas och byggas på. Generellt sätt kan man säga att en temperatur runt 0 C och nedåt innebär risk för isbildning. När ett vindkraftverk roterar i moln, sjörök, dimma eller underkylt regn eller snöblask finns dessutom risken att is bildas på bladens framkanter. Men även när ett vindkraftverk står still kan regn frysa fast på blad och andra delar vilket kan orsaka stora problem. Var isen fryser fast på själva bladet beror på om det är vridbart eller ej samt om bladet följer vindriktningen eller står still, om hela bladet utsätts för moln, dimma etc. Produktionen påverkas negativt av isen genom att den, när den sitter på rotorbladet, minskar lyftkraften och ökar luftmotståndet. Detta resulterar i att det drivande momentet minskas och därigenom också effekten som kan tas ut. Hur länge isen ligger kvar kan variera alltifrån någon timme till flera månader men orsakar ofta många direkta och indirekta problem under tiden. I ett längre perspektiv ger det ökad förslitning av material och komponenter vilket förkortar livslängden på sikt. Olika typer av is Frost: Denna typ av is betecknas av ett tunt lager iskristaller som är vita. De bildas när vattenånga vid låg vindhastighet övergår från fast form till gas på bladets kalla yta. Detta påverkar initialt vindens strömningar över rotorbladet och därigenom minskar också effekten något samtidigt som det förändrar ljudet från bladen. Då större delen av strömningen blir turbulent ändras ljudbilden och kan upplevas som att vindkraftverket låter högre. Eftersom islagret är så tunt försvinner det ganska snabbt, så att avisning inte är nödvändig. Klaris: Vid dimma eller underkylt regn där molnen innehåller stora delar av underkylda vattendroppar bildas klaris. Vattnet gör att den har hög densitet. Beroende på dropparnas storlek, temperatur och relativa hastighet kan också dimfrost bildas. Klaris lägger sig som en hinna runt bladets profil och kan komma att öka radien på framkanten av bladets profil vilket

5 följaktligen förändrar egenskaperna för bladets profil. På vissa turbintyper kan detta orsaka skador på växellåda, och generator eftersom effektregleringen försenas. Dimfrost: Denna kan uppträda i två olika former, mjuk eller hård, där den mjuka formen inte utgör någon risk för nedsatt kapacitet på vindkraftverket, eftersom densiteten är så låg. Men däremot kan den hårda varianten av dimfrost innebära stora problem, då den liknar klarisen och har hög densitet. Dimfrost uppkommer vid drift när det är molnigt och anses vara ett större problem i fjällen och i höglänt terräng. Snöblandat regn: Uppstår ofta vid lufttemperaturer över 0 C och ställer till problem, när det snöblandade regnet inte blåser undan eller smälter. Det kan vid fallande temperaturer, efter att en kallfront passerat, orsaka svår isbildning på bladen. Nedan illustreras hur olika typer av is fäster på bladet. Beroende på temperaturen i luften och lokal hastighet på bladet kommer bladet att ansättas av olika typer av is på olika ställen. Vid roten där hastigheten är lägre fäster den mjuka rimfrosten medan det längre ut packas hårdare, vilket innebär att klaris bildas. Tabell 4. Tabellen visar förhållandet mellan temperatur, vind, olika typer av is, och var på vingen de fäster. Hämtad från Elforsk rapport 04:13 från maj 2004 av Göran Ronsten, FOI. Studier visar att det är lokala förhållanden som gör nedisning till ett stort problem på vissa platser. Med hjälp av kunskaper från tidigare parker med liknande förhållanden samt mätningar innan man sätter upp verken kan informationen hjälpa till att få en bild av hur stor påverkan isbildningen får på en vindkraftverket vid placering på en specifik plats. Utifrån detta kan man sedan räkna på om det lönar sig med själva vindkraftverket beroende på avisningssytem etc. Avisningssystem Det finns en mängd olika avisningssytem för bladen som ofta inspirerats av flygplanens avisningssytem, en del mer hoppingivande än andra: Varmluftskanaler WinGuard; detta avisningssystem är för nuvarande det enda system som serietillverkas och det kostar från kr/vindkraftverk att installera. Enligt specifikationen från tillverkaren ska systemet klara av att ta bort lättare till måttligt isbildning. Därigenom ska man kunna minska stilleståndskostnaden beroende på placering av själva vindkraftverket.

6 Tanken med detta system är att man med hjälp av fläktar i turbinhuset pumpar varm luft in i vingen och genom kanalerna som finns inuti. En fläkt monterad vid roten av bladet blåser varmluft in i det blad som står placerat nedåt. Avisningen ska fungera både medan vindkraftverkets blad roterar, och vid kraftig nedisning ska man kunna stanna verket och ta el från nätet för att därmed kunna köra systemet även då. Nackdelen är att vindkraftverket inte kan generera el till sin egen avisning vid stillestånd. Mekanisk avisning: Här experimenterar man med att likt avisningen på ett flygplan ha rörliga framkanter på bladet eller med hjälp av elektromagnetiska pulser få bort isbildning på bladet. Tyvärr är detta idag ett oekonomiskt och komplicerat system som förmodligen inte kommer att nå någon större framgång inom vindkraftbranschen. Målade rotorblad: Det finns försök gjorda i bl.a. Yukon i Canada där man provat att måla hela eller delar av bladet svart för att öka solens uppvärmningsförmåga av bladet för att därigenom kunna tina is. Det är visserligen ett enkelt och billigt alternativ som har visat sig ge goda produktionsförbättringar för turbinen, men systemet är begränsat i och med att det endast fungerar under soliga dagar vid mindre anhopning av is, vilket i dagsläget inte är ett fullgott alternativ. Dessutom kan svarta blad kontra vita ha en annan inverkan på landskapsbilden. Speciella ytbeläggningar: Genom olika typer av ytbeläggningar försöker man förhindra isen/vattnet från att fastna på bladets yta. Detta genom att klä ytan med anti-vidhäftande egenskaper såsom superhydrofobiska beläggningar eller repulsiva beläggningar som ska få vattnet att rulla av ytan och inte fästa och byggas på som is. Fördelarna är att det innebär låga kostnader, att det skyddar hela ytan, är lätt att applicera och innebär låg underhållskostnad. Tyvärr har man hittills testat flera olika typer av material utan fullgott resultat vid svårare förhållanden. Dessutom måste man ta i beaktande att alla typer av material slits och åldras med tiden beroende på väder/vind osv. En positiv följdeffekt har visat sig vara att de ytbeläggningar som testats hittills i viss mån även förhindrar att insekter fastnar på bladet och orsakar problem genom att aerodynamiken förändras vilket leder till försämrad produktion (detta kanske främst är en lösning för länder med varmt klimat). Kemikalier: En vanlig metod vid avisning av flygplan är användningen av kemikalier för att sänka fryspunkten. Experiment pågår med att försöka överföra tekniken till vindkraftbranschen. Nackdelarna med denna metod är tyvärr stora genom att det krävs speciell utrustning och underhåll, kemikalierna stannar inte kvar så länge på bladet och det kan vara svårt att begränsa spridningen av dessa vid applicering. Bladvärmesystem: Det finns olika system som testas med att värma bladen på olika sätt. Gemensamt för samtliga är att man leder en ström längs nästan hela bladets längd samt i framkanten vilket skall få isen att smälta. Exempel på detta system är amerikanska Thermablade, Eco Temp och finska KAT (Kemijoki Arctic Technologies). Thermablade systemet testas bl.a. i Aapua, Tornedalen och Bliekevare, Dorotea kommun, och har utvecklats av Kelly Aerospace i samarbete med NASA, då det ursprungligen var ett system för flygplan. Tekniken bygger på att en tunn matta av expanderad grafit, en typ av värmefolie, monteras på utsidan av bladet (se bild 20) ungefär som en självhäftande dekal. Folien reagerar mycket snabbt när elektricitet kopplas på och systemet innebär att de elektriska impulserna i dekalen tinar isen automatiskt. Detta sker i cykler mellan 1-10min beroende på temperaturen i luften.

7 Systemet är idag en prototyp och uppgår till mellan 5-10% av den totala investeringskostnaden för ett vindkraftverk. Eftersom utvecklingen av detta är så kostsamt, förhandlas det med Energimyndigheten om att man som kund ska kunna få stödpengar vid köp av systemet. KAT har utformat ett system som bygger på att kolfibermattor, som är elektriskt ledande, monteras längs bladet och smälter isen när en isdetektor och temperaturgivare ger signal. Systemet finns idag monterat på ett 20-tal vindkraftverk varav två finns i Sverige; Rodovålen i Härjedalen och Suorva i Arjeplog. Inget av alla dessa olika avisningssystem håller tyvärr idag måttet eller är kostnadseffektivt under längre perioder med svåra nedisningsförhållanden. Bild 20. Thermawing är ett system med värmefilm som läggs på en vinge för att avisa ett bestämt området som utvecklats inom flygindustrin. Systemet försöker man nu anpassa till vindkraftverkens vingar i och med systemet Thermablade. Bilden visar hur man monterar den tunna värme dekalen på en flygplansvinge. Fotot hämtat från Erfarenheter av olika system för att förhindra isbildning Olika tillverkare har sin egen speciella lösning på att bli kvitt isen och fler metoder är säkert på gång, men i dagsläget räcker systemen inte till vid hårda isförhållanden, vilket man kan se några exempel på nedan. I oktober hösten 2012 invigdes en anläggning i Sjisjka, i Gällevare kommun på 30 st, 130m höga Vestas verk. Parken ligger på ett lågfjäll i otillgänglig terräng där man räknar med en årsproduktion av el, som ska kunna försörja hushåll med el. Avisningssystemet som installerats är ett s.k. passivt system och bygger på att beläggningen på bladen är hydrofobbehandlade vilket är en vattenavstötande material. Men i december 2012 klarade inte beläggningen att hålla isen borta och bladens aerodynamik försämrades. Även om inte turbinerna tvingades stoppa helt så tappade man en del av produktionen. SKANSKA, O2 och Jämtkraft som äger parken har förståelse för de svåra isförhållandena som råder på platsen. Man menar att nedisning är ett bekymmer som drabbar hela branschen och därför bör komma tillrätta med. Se bild 21. Bild 21 illustrerar ett nedisat blad på ett 600 kw Bonus aggregat på Olostunturi i Finland, Där En säkring hade löst ut på bladvärmesystemet vilket gjorde att bladvärmen inte fungerade, vilket följaktligen snabbt resulterade i att is kunde byggas på. Bilden hämtad från Elforsk rapport 04:13 av Göran Ronsten, FOI från 2004.

8 På lågfjället i Uljabuouda Arjeplogs kommun står 10st WinWind, 3MW verk som ägs av Skellefteå kraft. Anläggningen har byggts för att inte ta skada vid temperaturer ned mot -40 C och bl.a. så har man byggt in transformatorn och anpassat stålets kvalitét till kyla. Dessutom har man installerat ett avisningssystem, vilket i detta fall består av kolfibermattor på bladens utsida vilka kopplats ihop med givare för kontroll av olika parametrar såsom temperatur och issensorer. Inför varje sommar stängs avisningssystemet av, men inför vintersäsongen skall systemet inspekteras med IR kamera för att säkerställa att inga delar överhettats eller har skadats under sommaren, innan det tas i bruk inför vintern. I fjol uteblev mätningen vilket ledde till att parken inte kunde använda sig av avisningssystemet. From mitten av november 2012 till i början på januari 2013 uteblev därför en del av produktionen p.g.a. för mycket is på bladen. Svenska vindkraftstekniska centrum vill få till stånd en park i norra Sverige där vindkraften i kallt klimat ska kunna testas. Målet är att få till stånd en park på 4-8 vindkraftverk där en plats för att testa verk både på både kort och lång sikt ska kunna hyras. Tanken är att man ska studera vad som händer med materialet i vindkraftverket när temperaturen kryper ned mot -40 C, hur maskinhus, torn och blad reagerar på kylan och hur produktionen påverkas av köld, snö och is. Detta för att kunna ta till sig kunskap gällande material och isbildning för att kunna hitta mer effektiva lösningar och säkra kvalitén på vindkraftverken. Man hoppas på att detta ska bli en realitet under år 2017 med hjälp av starka aktörer som bl.a. Chalmers, ABB, SKF och General Electric. Allmänhet ska varnas vid risk för iskast Där det finns risk för iskast eller fallande is kan kommunen eller tillståndsmyndigheten ställa krav på ägaren att sätta upp varningsskyltar i omgivningen som varnar för detta. Se bild 22 och 23. Bild 22. Bilden visar en park i Kiruna där ägarna satt upp varningskyltar för fallande is. Området runt omkring vindkraftparker är i normala fall inte inhängande men just denna är så placerad att den står på en industritomt som även i normala fall skulle varit inhägnad Foto Göran Ronsten, FOI hämtat från Elforsk rapport 04:13 från år Bild 23. Bilden visar exempel på varningskylt som satts upp i samband med vindkraftsetablering för att varna för iskast. Foto: Enetjärn Natur AB hämtat från rapporten Vindren från

9 Tyvärr är inte alltid endast skyltning tillräcklig med tanke på hur och var skyltarna sitter. Se bild 24. Ibland kan det behövas alternativa säkerhetsåtgärder för att säkra allmänheten likväl som vindkrafttekniker. Det kan vara åtgärder såsom avstängning av verket vid risk för iskast, blinkande varningslampor, sirener etc. Bild 24. Bilden är hämtad från en vindkraftpark i Norrland där man vill varna för fallande is från vindkraftverken. Frågan är om endast skyltning i parken är tillräckligt då det lätt snöar över och blir svåra att tyda, vilket visas på bilden till vänster. Skulle t.ex. räddningspersonal behöva ha information om vägarna för att ta sig fram till en olycksplats så kommer det avsevärt att försena räddningsinsatsen om man inte kan tyda skyltningen ordentligt. I det här fallet har räddningstjänsten i området tillgång till koordinater för alla vindkraftverk och kommer därför att hitta fram ändå. Foto; Karin Liinasaari Nätverket för Vindbruk De flesta ägare sätter upp varningsskyltar runt om, och i vindkraftparkerna medan andra också informerar även på andra ställen, där man har en chans att se varningen redan innan man som privatperson kommer in i parken. Det är ju inte alltid som t.ex. längskidåkare, skoteråkare, turister eller jägare får eller kan använda de avsedda vägarna där skyltningen oftast sitter uppsatt. Illustration 4 visar ett exempel på skyltning som kan förekomma. Företaget har skyltar både inuti och utanför parken på strategiskt placerade ställen såsom korsningar, anslutande vägar, in- och utfarter från parken etc. Exemplet är hämtat från den lokala matvaruhandeln men finns också uppsatt på bensinstationer, anslagstavlor etc. i de närliggande orterna. Där varnar ägaren av parken för iskast som kan förekomma i parken under vinterhalvåret.

10 Illustration 4. Illustrationen visar ett anslag som sitter uppe på allmänna platser för att varna allmänheten gällande risk för iskast i Skyltning från Företaget XXXX Företaget XXXX Företaget XXXX på telefon: XXX- XXX XX XX