Hydroelektrische kracht gerevolutioneerd: composiet-gedreven turbinebladen voor hogere efficiëntie

De term "hydroelektrische energie" roept vaak associaties op met grote installaties gedreven door speciaal gebouwde infrastructuur zoals dammen en grote turbines met traditionele metalen, propeller-gebaseerde turbinebladen. Echter, veel gebieden lopen uit op nieuwe capaciteit voor grote, hoogvermogen hydroelektrische centrales. Tegelijkertijd groeit de vraag naar meer en goedkoper hernieuwbare energieopwekking.

Het Amerikaanse Department of Energy (DOE) voorspelde in zijn 2018 "Hydropower Vision"-rapport dat groei in de Amerikaanse hydroelektrische markt – van 101 gigawatt (GW) energiecapaictiteit in 2018 naar een potentiële capaciteit van bijna 150 GW in 2050 – nieuwe geavanceerde technologieën zou vereisen die meer energie tegen lagere kosten kunnen leveren.

Kleinere generatoren voor onbenutte energie

Een potentiële oplossing zou kleinere hydroelektrische generatoren kunnen zijn die onbenutte energie uit laagstroom watersystemen zoals irrigatiekanalen en stroompjes vangen, aldus Darren Wren, general manager bij Kinetic NRG (Gold Coast, Australië). Opgericht in 2016 door de overleden oprichter Paul Camilleri, is Kinetic NRG een privé-gefinancierd hernieuwbare energiebedrijf gericht op de ontwikkeling van nieuwe hydro-energieproductietechnologie voor betaalbare, betrouwbare elektriciteit.

Het eerste technologie van het bedrijf heet het Hydro-kinetic Energy Generator (HEG) systeem, met een diameter van 1,5 meter en een uitgang van maximaal 30 kilowatt (kW) bij waterstromen van 2,0 meter per seconde. Deze output maakt het een "micro" hydropower-systeem volgens classificerende instanties zoals het Amerikaanse DOE, dat micro-systemen definieert als systemen met maximaal 100 kW capaciteit. Bedoeld voor direct gebruik in rivieren, irrigatiekanalen of afvoerkanalen die water van bestaande dammen afvoeren, is de HEG ontworpen voor laag-val hydropower – betekent dat de "val", of afstand tussen de waterlijn en de turbine, minder dan 20 meter is.

De ontwikkeling van de HEG en zijn spiraalvormige turbineblade is al ongeveer vijf jaar in uitvoering, aldus Wren. "Het is een hele reis geweest. Het ontwerp dat we nu hebben, ontstond letterlijk door proberen en fouten."

Ontwerp van een modulaire, produceerbare blade

De eerste, kleinschalige spiraalbladmodellen van Kinetic NRG waren gevormd uit metaal, maar toen het tijd was om de volschaal, 1,5-meter diameter prototype te produceren, "vonden we eigenlijk dat we het niet konden maken," zegt Wren. Het concept was om te beginnen met een vlak stuk metaal en vervolgens een set spiraalen te vormen of smeden die uit het centrum stralen. "We vonden gewoon geen manier om toegang te krijgen tot bepaalde punten van het onderdeel om de benodigde sterkte te creëren," verduidelijkt hij.

Het bedrijf stak uiteindelijk zijn metallische pogingen, maar niet het ontwerp zelf. Wren zegt dat Kinetic NRG samenwerkte met een lokale universiteit om alternatieve productietechnieken en materialen zoals nylon of keramiek te verkennen, en begon te praten met 3D-printbedrijven om te zien of additieve productie een levensvatbare optie kon zijn. Toch presenteerde geen oplossing zich die de juiste combinatie van produceerbaarheid en mechanische eigenschappen bood. Uiteindelijk, na een driejarige reis, werd Kinetic NRG via een leveranciersnetwerkverbinding geïntroduceerd bij het team van het ingenieursbedrijf Advanced Composite Structures Australia (ACS-A, Melbourne), gespecialiseerd in ontwerp en productie van laag-volume, hoog-waarde-toegevoegde composietcomponenten voor diverse eindmarkten.

Wren noemt wat daarna gebeurde "een ontmoeting van geesten," en legt uit dat Kinetic NRG samenwerkte met Paul Falzon, general manager bij ACS-A, en zijn team aan verschillende methoden om het onderdeel te produceren en ontwerpen met composietmaterialen – materialen die ACS-A uit ervaring wist in staat te zijn om de vorm, gewicht en stijfheidseisen te halen die Kinetic NRG nodig had.

De innovatieve bladvorm was de belangrijkste ontwerpuitdaging voor het project, met mechanische eisen voor de blade gebaseerd, volgens Wren, op standaarden gesteld door het Amerikaanse DOE en de Internationale Electrotechnische Commissie. De overige systeemcomponenten – transmissie, energiemanagement, communicatie, etc. – zijn standaard off-the-shelf producten die bekend zijn om alle benodigde regulaties te halen.

Volgens Falzon evalueerde ACS-A eerst de metallische pogingen voor het bladontwerp, en bepaalde vervolgens hoe de vereiste vorm, dimensietoleranties en gewicht van de blade te bereiken. De blade moest ook bestand zijn tegen aquatische omgevingen, en stijf genoeg om de staal as van de turbine waarop hij bevestigd is, te ondersteunen. Het ACS-A-team startte met het oorspronkelijke metaalontwerp en "reverse engineered" een glasvezel-composietblad om de oorspronkelijke stijfheid te matchen, aldus Falzon. Echter, sommige ontwerpwijzigingen moesten worden aangebracht bij de overstap van een gelaste, metaalgevormde structuur naar een composietlaminaat. Zo legt Falzon uit: "We maakten een stap terug en vroegen: 'Okay, als we vol gaan profiteren van composietmaterialen, hoe ziet dit er dan uit?'"

Na diverse iteraties en discussies, omvat het huidige ontwerp vier identieke composietbladen die in elkaar grijpen om de uiteindelijke spiraalvorm te vormen. "Het composietblad is eigenlijk dikker dan het staalontwerp, maar lichter vanwege de lagere dichtheid van de materialen waarmee we werken," zegt Falzon. "Het dikker zijn betekent ook dat we veel meer buigstijfheid krijgen vergeleken met het staalontwerp, dus je krijgt eigenlijk een veel stijffer product overal."

Omgekeerde tooling

Het ontwikkelen van de vorm voor tooling, aldus Falzon, was de meest uitdagende fase van het proces. Het ACS-A-team evalueerde de vorm van de oorspronkelijke blade-assembly met CATIA-software van Dassault Systèmes (Waltham, Mass., VS). Dit leidde tot ontwikkeling van de blade-oppervlakken en ontwerp van tooling-concepten. "Wanneer je naar de onderdelen kijkt zoals ze vandaag zijn, worden ze eigenlijk in een omgekeerde orientatie gemaakt. Het bladmodel moest omgekeerd worden om de tooling te creëren, en het is bizar totdat je de echte tooling ziet wanneer het aankomt. Het is behoorlijk complex," zegt Falzon. Hij legt uit dat de tooling omgekeerd moest worden "om ervoor te zorgen dat we de vereiste oppervlakteafwerking op de kant van de blade die blootgesteld is aan de waterstroom konden bereiken," en om ervoor te zorgen dat elk van de geproduceerde blade-componenten in één stuk gedemold kon worden. De tooling moest ook precies zijn: de in elkaar grijpende blade-componenten moesten exact kunnen uitlijnen bij assemblage, met elkaar en met de centrale as van de turbine. Voor de prototype werd de tooling, geleverd door Sykes Australia (Sydney), vervaardigd uit laagkostende tooling-pasta gedeponeerd op een schuimrug en daarna CNC-gefreesd tot de eindvorm.

De ondersectie van de turbineblad-tooling.

Zodra de tooling was ontwikkeld, werd het huidige, volschaal prototypeblad geconstrueerd uit glasvezel non-crimp fabric (NCF) en epoxihars, geproduceerd via handmatige leging en gecureerd bij kamertemperatuur, gevolgd door nacuuring in een oven bij verhoogde temperatuur en aanbrenging van een mariene-graden verf. De materialen werden geselecteerd, aldus Falzon, om zowel aan de structurele als kosteneisen voor het onderdeel te voldoen. De in elkaar grijpende subcomponenten zijn lijm-gebonden – gekozen boven mechanische bevestiging voor betere controle en dimensionale nauwkeurigheid in assemblage. "De echte truc," zegt hij, "is ervoor te zorgen dat de bladen in elkaar kunnen grijpen, maar zodra we het allemaal lamineren en lijmen, vormt het een zeer rigide assemblage die de benodigde structurele en hydrodynamische vormprestaties haalt."

Digitale analyse van de stijfheid en andere mechanische eigenschappen van de structuur werd uitgevoerd met tools van MSC Software (Newport Beach, Calif., VS). "Dit systeem is veel efficiënter, lichter en in staat om meer werk te verrichten dan het oorspronkelijke ontwerp," voegt Falzon toe.

Naar commerciële productie

Volgens Wren is Kinetic NRG's initiële productiedoelstelling 950 eenheden over een periode van drie jaar, en daarna opschalen naar diverse duizenden per jaar. Potentiële klanten, aldus Wren, kunnen particulieren en bedrijven, energiemaatschappijen en gemeenten omvatten – een breed scala, dat de veelzijdigheid van het HEG-concept onderstreept. De systemen kunnen geïnstalleerd worden als "mini hydropower plants" binnen irrigatiekanalen, of geplaatst stroomafwaarts van bestaande hydroelektrische generatoren om energie te genereren uit onderbenutte afstroom, of als aanvullende energie voor afgelegen gemeenschappen of bedrijven.

Momenteel ondergaat de volschaal HEG-prototype in-water mechanische tests; indertijd worden grootschalige productieprocessen geëvalueerd voor commerciële productie.

ACS-A verwacht het bladontwerp voortdurend te verfijnen, afhankelijk van de mechanische testresultaten en eisen voor de meest kosteneffectieve productie. Specifiek, zegt Falzon, onderzoekt ACS-A geautomatiseerde preforming-processen "zodat we de vorm goed krijgen met minimale handarbeid," gevolgd door licht hars overbrengvormen (L-RTM) of een ander hogesnelheidsproces.

Methoden voor turbine-assemblage worden ook geëvalueerd, het doel zijnde, aldus Wren, dat de blade-subcomponenten modueel geproduceerd en lokaal gemonteerd worden, om de kosten en uitdagingen van het verzenden van gehele volschaal-eenheden te vermijden, terwijl lokale werkgelegenheid wordt gecreëerd en installatiekosten worden verlaagd. Om dit mogelijk te maken, moet ACS-A mogelijk de manier wijzigen waarop de bladen in elkaar grijpen en het aantal subcomponenten in elke assemblage. "We zullen nog steeds de volledige bladen in hun oorspronkelijke vorm hebben, dat zal nog steeds een belangrijk onderdeel zijn," zegt Wren, "maar we kunnen veranderen waar de overgangen plaatsvinden om dezelfde vorm in minder componenten te maken voor eenvoudigere on-site assemblage."

De twee bedrijven evalueren ook de conversie van metallische componenten van de turbine naar composieten, om het gewicht van de totale assemblage te verminderen. "We zullen glas gebruiken waar geschikt en koolstofvezel waar geschikt, maar uiteindelijk moeten we een prijspunt bereiken voor de technologie om de kosten van energieproductie voor het systeem kostenconcurrentieel te maken," zegt Falzon.

Naarmate het ontwerp en productieproces zich de optimalisatie naderen, zal de volgende uitdaging, volgens Wren, het werven van de juiste investerings- en productiepartners zijn om op te schalen naar commerciële volumes.