Algemeen
Naast het feit dat de HDT geschikt is voor het overbrengen van grote vermogens, biedt de oplossing nog een ander voordeel dat onderscheidend is voor juist de toepassing in windturbines: het lage gewicht van de HDT (foto: Hydrautrans)

De vermogens van windturbines zijn de afgelopen twintig jaar bijna verveertienvoudigd. Ontwerpers lopen hierdoor tegen de grenzen aan van onder meer de mechanische eigenschappen van tandwielkasten. Een oplossing is ontwikkeld in de vorm van de Hydrautrans Drive Train; een aandrijflijn waarin een mechanisch-hydraulische overbrenging het lage toerental van de wieken veilig omzet naar het hoge toerental voor de twee generatoren. In het hydraulische deel wordt gebruik gemaakt van hydropompen en -motoren met de door Innas ontwikkelde Floating Cup Technology. Het principe is bewezen in een test die is uitgevoerd in samenwerking met VDL/ETG en Innas. Voor een introductie op de markt is echter nog een ‘final proof’ noodzakelijk.

In het kort gezegd; Floating Cup Technology (FCT) is een technologie die al enkele jaren geleden is ontwikkeld en waarmee het rendement van hydropompen en -motoren is te verhogen. Verder verkleint FCT de koppelpulsaties bij hogere toerentallen en reduceert het geluidsniveau. In 2018 introduceerde Innas een belangrijke aanpassing: door de wanden van de cup en zuiger dunner te maken, is het mogelijk te werken met nog hogere slagvolumes en toerentallen (tot 6.000 min-1, ook bij lage drukken) en (bovenal) de kostprijs aanzienlijk te verlagen.

Groter slagvolume

Vooral deze hoge toerentallen en slagvolumes triggerden het Nederlandse bedrijf Hydrautrans dat gespecialiseerd is in windturbinetechnologie. Dit bedrijf loopt namelijk aan tegen grote technische uitdagingen bij de ontwikkeling van een nieuwe generatie windturbines. Dit heeft te maken met de steeds hogere vermogens: waar het vermogen in 1991 nog rond de 0,5 MW lag, loopt dit in 2018 al op tot meer dan 8 MW.

Momenteel bevinden verschillende 10 MW+ windturbines zich in de prototypefase. Grotere vermogens bieden voordelen ten aanzien van de hoeveelheid geproduceerde elektrische energie, maar betekent ook langere wieken, hogere koppels en hiermee steeds zwaardere belastingen op alle componenten die zich tot op zo’n 160 meter boven de grond bevinden.

Zo loopt Hydrautrans vooral op tegen de grenzen van de mechanische eigenschappen van de tandwielkast die het lage toerental van de wieken omzet naar een hoog toerental ten behoeve van de generator. Door de hoge vermogens en bijbehorende belastingen zijn de tandwielkasten inmiddels erg storingsgevoelig geworden en falen relatief snel met alle bijbehorende kosten van dien.

Opschalen vermogens hard nodig

Om bovenstaande problematiek het hoofd te bieden, ontwikkelde het bedrijf een bijzondere oplossing in de vorm van de Hydrautrans Drive Train (HDT) waarin hydropompen en -motoren met FCT zijn toegepast. Ir. Bart van Neerbos, eigenaar van Nestor Management Consultants en intensief betrokken bij dit project: “Het geschikt maken van de FCT voor hogere slagvolumes die passen bij de steeds groter worden vermogens van windturbines is in mijn ogen een slimme zet van Innas. Kijken we namelijk naar de potentie van een dergelijk oplossing, dan zien we dat de vermogens van windturbines de afgelopen jaren alleen maar groter zijn geworden.

“Ik ga ervan uit dat deze trend zich voortzet en de belastingen dus alleen maar hoger zullen worden. Daarbij is het opschalen van het vermogen echt nodig aangezien de behoefte aan windenergie op zowel nationaal als Europees niveau hoog is. Om het beoogde beschikbare geïnstalleerde vermogen in 2030 en 2050 te halen, zullen wat dat betreft nog heel wat (offshore) windturbines moeten worden geplaatst.”

Hydrautrans Drive Train

Op een doorsnede van de Hydrautrans Drive Train is aan de linkerkant de rotor te zien die plek biedt aan drie wieken waarvan de lengte in de huidige tijd inmiddels oploopt tot 100 m. De rotor is gekoppeld aan de hoofdas (grijze opengewerkte cilinder) die gelagerd is met twee grote ringlagers (groen gekleurd). Deze lagers moeten een zekere speling hebben om uitzetting als gevolg van de grote temperatuurwisselingen te kunnen opvangen en te voorkomen dat de overbrenging vastloopt.

Het binnenste van een windturbine nacelle ziet er met de HDT mechanisch-hydraulische overbrenging heel anders uit dan bij conventionele windturbines (foto: Hydrautrans)

Deze noodzakelijke speling betekent in een conventionele constructie dat er eveneens een zekere speling in de flens optreedt waarmee het rotordeel is gekoppeld aan de tandwielkast. De praktijk leert dat dit dan ook het zwakste punt van de drive train is, waarbij problemen al optreden vanaf een vermogen van ongeveer 5 MW. Deze problemen bestaan uit een falende tandwielkast en bijgaande hoge kosten om deze te vervangen of te repareren.

Mechanisch – hydraulisch

De HDT heeft dit zwakste punt opgelost door de koppeling van rotor naar uiteindelijk generator op te splitsen in een mechanische en hydraulisch deel. Hierbij worden de lage toerentallen van de wieken (typisch 8,5 tot 12,5 min-1) eerst overgebracht op een mechanische, eentraps tandwielkast (het toerental blijft hiermee gelijk).

Daarna wordt het toerental vervolgens op niveau gebracht door zestien hydropompen gekoppeld aan zestien planetaire kasten, vier hydromotoren en twee generatoren met een vermogen van 6,5 MW. Het totaal is opgedeeld in vier modules elk bestaand uit vier hydropompen en een hydromotor. In de praktijk is de opstelling deelbaar in twee stukken wat van belang is voor de uiteindelijke installatie offshore.

16 planetaire tandwielkasten

Het mechanische deel is opgebouwd uit de flens die vastzit aan de hoofdas maar tevens aan een cilindrisch tandwiel met een diameter van ongeveer 3 m (de eentraps tandwielkast) én de bijbehorende lagering. Dit tandwiel geeft het koppel over aan zestien planetaire tandwielkasten die gekoppeld zijn aan evenveel hydropompen. Deze pompen brengen de olie op druk die vervolgens via de buisleiding naar vier hydromotoren wordt gebracht die uiteindelijk twee generatoren aandrijven.

De opbouw van een Hydrautrans Drive Train bestaat uit diverse hydropompen en -motoren met Floating Cup Technology (foto: Hydrautrans)

Van Neerbos: “Door deze opstelling, waarbij het tandwiel direct is gekoppeld aan de as, en de verbinding van de hydropompen naar de hydromotoren wordt gerealiseerd door een buisleiding, leidt tot een oplossing waarbij de bewegingen als gevolg van de noodzakelijke lagerspeling, probleemloos worden opgevangen door de buisleiding. Met andere woorden: de eentraps tandwielkast wordt niet extra mechanisch belast en boet hiermee niet in op zijn levensduur.”

“Ook de andere zijde – motor-generator combinaties en generatoren – ondervindt geen onnodig hoge externe krachten waarmee de levensduur van de totale HDT wordt geschat op minimaal dertig jaar. Door voor de hydropompen en -motoren vervolgens te kiezen voor de varianten met FCT is het inderdaad mogelijk om met zestien pompmotor combinaties het toerental van rond de 10 min-1 te verhogen naar 1500 min-1.”

Installatie offshore

Naast het feit dat de HDT geschikt is voor het overbrengen van grote vermogens, biedt de oplossing nog een ander voordeel dat onderscheidend is voor juist de toepassing in windturbines: het lage gewicht van de HDT. Het voordeel wordt duidelijk wanneer we kijken naar windturbines met hoge vermogens tot 12 MW.

Hier wordt tegenwoordig veelal gebruik gemaakt van een direct drive: door het ontbreken van de tandwielkast wordt het vermogen van de wieken direct overgebracht naar de generator. Een mooie oplossing omdat hiermee alle tandwielkast gerelateerde problemen zijn geëlimineerd. Een nadeel is echter dat deze oplossing vraagt om relatief grote generatoren met gewichten die oplopen tot 600 ton.

Ontwikkeling nieuwe installatie schepen

Van Neerbos: “Mij is de ontwikkeling bekend van een dergelijke windturbine waarbij uiteindelijk zo’n 850 ton op de hoge mast moet worden gehesen. Uiteraard is hiervoor Mammoet benaderd maar de hijsinstallatie waar je dán op uitkomt om dit offshore te realiseren, betekent ook de ontwikkeling van nieuwe installatieschepen waarmee het plaatsen van onderdelen met het grote gewicht op een vereiste hoogte mogelijk is.”

Hoe groter de vermogens van de windturbines des te duurder en lastiger wordt het om deze op zee te plaatsen (foto: Ørsted)

“Dit zijn oplossingen die niet alleen duur zijn maar tevens gevoelig voor de weersomstandigheden en hierdoor statistisch gezien slechts één derde deel van het jaar inzetbaar. Daarbij komt dat er tot nu toe slechts een zeer beperkt aantal schepen en hijsinstallaties beschikbaar is om deze werkzaamheden uit te voeren.

Lager gewicht HDT biedt voordeel

Zelfs áls voor deze generatie windturbines een passende en betaalbare oplossing wordt gevonden om de windturbine te installeren, zal de toekomst alsnog problemen opleveren. Door verdere opschaling zullen vermogens en hiermee belastingen verder toenemen; hierdoor zullen generatoren nog zwaarder worden en bovendien op steeds hogere masten (nu typisch 160 meter) moeten worden gehesen omdat hogere vermogens nu eenmaal vragen om grotere wieken.

Conclusie: de installatie van de aankomende en volgende generaties windturbines offshore zal niet eenvoudig zijn en gepaard gaan met hoge kosten. Er daarbij van uitgaande dat het überhaupt nog mogelijk is. Met deze problematiek in het achterhoofd is het plotseling duidelijk dat het tot 40% lagere gewicht van de HDT ten opzichte van conventionele oplossingen belangrijke voordelen oplevert bij installatie.

Dit voordeel wordt verder versterkt omdat de HDT modulair is opgebouwd en hierdoor in losse delen (drie) naar boven kan worden gehesen. De hijswerkzaamheden zijn hierdoor ook offshore uit te voeren met beschikbare middelen. Dit betekent: bestaande, goedkopere schepen in combinatie met de Mammoet hijsinstallaties zonder gebruik te hoeven maken van – op dit moment nog niet bestaande – hijsinstallaties.

Andere partijen nodig

Inmiddels staat het hele team dat betrokken is bij de ontwikkeling van de HDT klaar voor een marktintroductie. In een kleinschalige test, die is uitgevoerd in samenwerking met onder meer VDL, ETG en de ontwikkelaar van de Floating Cup Technology Innas, is het principe bewezen. Voor een officiële introductie zijn echter certificaten en goedkeuringen nodig wat betekent dat er nog een test nodig is waarbij instanties als TNO als onafhankelijke partij hun oordeel moeten uitspreken.

Van Neerbos: “We hebben al veel benodigde partijen om ons heen verzameld die nodig zijn voor de grote test en de latere marktintroductie. Zo heeft VDL de pompen voor de kleinschalige test geproduceerd maar zal voor een meer seriematige productie extra onderzoek doen om de juiste productieprocessen en -technieken te ontwikkelen die de pompen betaalbaar maken.”

Investeringen nodig

“Andere partijen ontbreken juist nog. Voor het tandwiel zijn we bijvoorbeeld nog op zoek naar een nieuwe partij en tevens zoeken we nog een systeem integrator die de HDT integreert in haar totaaloplossing voor windturbines. Daarnaast hebben we TNO benaderd om de oplossing te certificeren. Dit heeft nog niet geleid tot het gewenste resultaat aangezien TNO geen certificaat mag afgeven op deelinstallaties. Bovendien wordt het wenselijk geacht te testen tot aan het punt dat de HDT faalt en ook dat levert de nodige praktische hobbels op.”

Uiteindelijk is er voor het realiseren van de finale test een bedrag van 5 miljoen euro nodig. 60% van het totale bedrag valt binnen de diverse regelingen die bekend zijn bij EZ, maar voor de laatste 40% is het team nog op zoek naar partijen die willen mee investeren. Van Neerbos: “Wie interesse heeft kan met Hydrautrans contact opnemen. Er wordt uitgekeken naar ieders reactie!”

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven