Energietransitie op Antarctica?

70°40′ zuiderlengte, 8°16′ westerbreedte – een punt aan de rand van Antarctica, op de Ekström ijsplaat in de Atka-baai in de noordoostelijke Weddellzee. Hier staat het Neumayer Station III, het epicentrum van Duits poolonderzoek. De laagste temperatuur hier ooit gemeten is – 50,2 °C. In het onderzoekstation is het constant 20 °C. Een betrouwbare energievoorziening is hier van levensbelang. Maar de energieopwekking wordt ook hier milieuvriendelijker. Bachmann speelt hierbij sinds kort een kleine maar belangrijke rol.

Antarktika, het landoppervlak van Antarctica, is bijna 13,2 miljoen km² groot. Het ijs kraakt onder zijn schoenen als Peter Köhler de hydraulische stempels onder het station inspecteert. Hij is de technisch coördinator van het Neumayer Station III en werkt dit onderzoekseizoen ongeveer drie maanden als expeditieleider. Het station van het Alfred Wegener Institut – Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung staat op een gletsjertong van 250 m dik met daaronder 300 m water. Voor de wetenschap is deze onstabiele omgeving van groot belang, omdat ijsplaten een belangrijke rol spelen in het klimaatsysteem omdat ze de stroming van gletsjerijs naar zee kunnen vertragen.

Hydraulische stempels

Het onderzoekstation van ongeveer 2300 ton staat boven het sneeuwoppervlak op 16 palen. Met behulp van hydraulische stempels (bipods) kan het station meebewegen met het sneeuwdek. Jaarlijks valt er ongeveer 1 m sneeuw. Door hiervoor te compenseren bevindt het station zich altijd ongeveer 6 m boven de sneeuw. De stempels staan in de ondergrondse parkeergarage in het ijs. Hier staan onder andere de sneeuwscooters en Pistenbully’s. De toegang tot de parkeergarage kan worden afgesloten met een hydraulisch bediend luik.

Binnen een beschermend omhulsel omvat het platform meer dan 100 containers met verschillende functies op twee niveaus boven elkaar: woon- en slaapvertrekken, een ziekenhuis, keuken, mess, radiokamer en sanitaire voorzieningen voor de maximaal 60 personen die hier kunnen verblijven. Onder het station bevindt dus die ondergrondse parkeergarage in het ijs voor onder andere de sneeuwscooters en de hydraulische stempels.

1 miljoen ton kooldioxide

Terwijl de hydraulische stempels Neumayer Station III langzaam op zijn nieuwe hoogte brengen, ronkt in de generatorkamer van het station een dieselmotor. De energievoorziening was tot nu toe voornamelijk gebaseerd op dieselgeneratoren. Maar de hoge betrouwbaarheid gaat gepaard met de uitstoot van vervuilende stoffen bij de verbranding van fossiele brandstoffen. De drie dieselgeneratoren, elk met een vermogen van 160 kW, verbruikten voorheen tussen de 350 en 500 ton diesel per jaar. In naam van het onderzoek werd ongeveer een miljoen ton kooldioxide in de lucht uitgestoten. Maar daar komt nu verandering in.

Antarctisch Verdrag

In overeenstemming met het Antarctisch Verdrag voor de bescherming van het milieu moet het aandeel hernieuwbare energie in de energiebalans van het station in de toekomst aanzienlijk worden verhoogd door meer gebruik te maken van wind- en zonne-energie. De duurzaamheid van de energievoorziening moet ook worden gewaarborgd door de opgewekte energie zoveel mogelijk binnen een gesloten systeem te houden en zo optimaal mogelijk te gebruiken. Energiebesparing is de derde pijler van een duurzamere energievoorziening voor onderzoekers. “Met een intelligent energieconcept als dit kunnen we bijna de helft van de diesel die we gebruiken besparen”, legt Peter Köhler uit.

Logistieke uitdaging

Tot nu toe haalde Neumayer III de benodigde energie dus uit drie dieselgestookte WKK-eenheden (warmtekrachtkoppeling), een nood-WKK-eenheid en een horizontale windturbine van 30 kW. De complete omschakeling zal volgens de planning vijf jaar in beslag nemen – niet in de laatste plaats vanwege de logistieke uitdagingen. Elk jaar in de nazomer vertrekt de ijsbreker Polarstern vanuit Bremerhaven voor een Antarctische expeditie, steekt de halve aardbol over en vervoert alle apparatuur naar de andere kant van de wereld tijdens een onderzoeksreis die enkele maanden duurt. De tijd die beschikbaar is voor werk op Antarctica is uiterst beperkt: al het werk moet worden uitgevoerd in het zomerseizoen, dat loopt van november tot februari. Tijdens de poolwinter wordt het donkerder en leger op het station: tussen mei en september blijven alleen een professionele kok, drie ingenieurs, een dokter en vier wetenschappers ter plaatse.

Verticale windturbine

Veel van de maatregelen voor de verbouwing van het onderzoekstation zijn ‘pilots’. Dat geldt ook voor de eerste verticale windturbine van Neumayer Station III. De windturbine ondersteunt de warmtekrachtcentrale van het station met een vermogen tot 50 kW en vult het oude horizontale systeem aan, dat tijdens extreme weersomstandigheden met veel technische problemen te kampen had. Volgens berekeningen kan de verticale installatie alleen al 11.300 liter diesel per jaar besparen.

De nieuwe windturbine is een H-windgenerator met een verticale draaias. Het voordeel: zonder het rotorblad aan te passen of de gondel te verplaatsen kan het systeem gebruikmaken van wind uit alle richtingen. De rotordiameter is 10 m. Er wordt elektriciteit opgewekt bij lage windsnelheden van 2 m/s tot stormsnelheden van 25 m/s.

Firn

De windturbine staat op een stervormige fundering in de sneeuw. De installatie weegt met een totaalgewicht van ongeveer 8 ton zo weinig, dat hij elk jaar door een rupskraan kan worden opgetild, afhankelijk van de hoeveelheid sneeuw die zich ophoopt. Met elke verhoging verdwijnt de fundering dieper weg in de ‘eeuwige sneeuw’, de zogenaamde firn. Om dit te compenseren worden gestandaardiseerde verhogingselementen tussen het conisch toelopende torenelement en de stervormige fundering geplaatst. Al twee andere installatie met hetzelfde ontwerp zitten in de planning. Eventueel kunnen er later nog twee worden bijgebouwd, zodat het totaal op vijf windturbines komt, elk met een capaciteit van 50 kW.

‘Structure health monitoring’

Bachmann heeft een conditiebewakingssysteem ontwikkeld, gebouwd en geleverd, dat de basis vormt voor de volgende windturbine-installaties. Dit structure health monitoring-systeem verzamelt systematisch meetgegevens over natuurlijke frequentie, helling en (RMS-)versnelling op de toren van de nieuwe windturbine. De zware omgevingsomstandigheden en extreme temperatuurvereisten vragen om bijzonder robuuste hardware en sensoren. 2D MEMS-versnellingssensoren van Bachmann verzamelen de meetgegevens voor het monitoren van de windturbine in het Antarctische klimaat. De meettechnologie die buiten is geïnstalleerd is ontworpen voor continue werking bij temperaturen van -30 tot +60 °C en is bestand tegen temperatuurpieken van -40 tot +70 °C.

Speciaal ontwikkeld

De meetgegevens worden geregistreerd door een GIO212 CC universele in-/uitgangsmodule met twaalf kanalen. Er wordt ook een MC212 CC type processor gebruikt in de schakelkast op de toren van de windturbine. ‘CC’ staat voor ‘Cold Climate’. De industriële PC heeft een dual-core processor met 1,3 GHz rekenkracht en 2 GB DDR4-hoofdgeheugen, voor de snelle en betrouwbare verwerking van de verzamelde meetgegevens. Voor de voeding wordt een NT255-voedingsmodule gebruikt. Alle modules hebben een 100 procent bedrijfstest doorlopen voor ze de fabriek uit zijn gegaan. De hardware heeft extreme temperatuurveranderingen moeten doorstaan in klimaatkamers, ter voorbereiding op gebruik in Antarctica.

Eerste voorspellingen

De sensorgegevens van het SHM-systeem op Antarctica worden eerst via een ethernetverbinding naar het intranet van het poolstation gestuurd en vervolgens per satelliet naar Europa. Hier worden ze systematisch geëvalueerd door Bachmanns partner P.E. Concepts. De gegevens die in het eerste jaar zijn geregistreerd, worden momenteel geëvalueerd.

“We verwachten een verklaring te krijgen over het gekozen mastontwerp en of onze eerste voorspellingen accuraat zijn”, legt Köhler uit. Met deze bevindingen zal het ontwerp van de volgende windturbines indien nodig worden geoptimaliseerd. Köhler is er echter van overtuigd dat er geen grote veranderingen nodig zullen zijn: “We verwachten de veilige werking van de turbine op de nieuw ontwikkelde mast te kunnen bevestigen.”

Voor de evaluatie van de gegevens en de rapportage wordt de ‘WebLog Expert’-software gebruikt, een browsergebaseerde softwaretool van Bachmann. Zo kan je met een standaard webbrowser een  gedetailleerde analyse van de trillinggegevens maken en krijg je toegang tot de systeemparameters van de Bachmann-hardware. Voor het monitoren van toren- en funderingconstructies is WebLog Expert speciaal uitgebreid met nieuwe functionaliteit voor structural monitoring. De software biedt nu een uniform platform voor holistische installatiebewaking.

Meer hernieuwbare bronnen

De inzichten die zijn verkregen uit de meetgegevens worden momenteel verwerkt in het ontwerp van de tweede Neumayer III-windturbine, die dit zomerseizoen tussen november 2024 en februari 2025 wordt geplaatst. Maar dat is niet alles.

“Behalve op het opwekken van energie uit hernieuwbare bronnen ligt de focus van het gemoderniseerde energieconcept op het verminderen van de energiebehoefte van het station in de toekomst”, legt Köhler uit. In de toekomst zal de gevel van het station ook een belangrijke rol spelen bij het opwekken van hernieuwbare energie. Deze zal worden uitgerust met fotovoltaïsche elementen. De modules zullen naar verwachting 53 kWp leveren.

Bovendien komt er een batterijopslag met een capaciteit van 500 kW/u om de energie te bufferen. Er komt ook een thermische opslagunit: een wateropslagtank met een capaciteit van 10 m3. Last but not least worden de bestaande WKK-eenheden vervangen door twee grote en twee kleinere nieuwe WKK-eenheden. Dit alles moet zorgen voor duurzame energie in de toekomst.

Klimaatverandering Een belangrijk onderdeel van het onderzoek op het Neumayer Station III is hoe gevoelig de Antarctische ijsplaat reageert op klimaatverandering. Dit moet helpen om beter te kunnen voorspellen wanneer en hoeveel de poolijskappen zouden kunnen smelten. Zodat de wereld zich beter kan voorbereiden op de toekomst. De gegevens van de windturbine op Neumayer Station III spelen hierbij hun kleine rol.