Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme
Die intelligente und optimierte Steuerung führt zu mehr Energieerträgen im Windpark.
Zuverlässigkeit, Monitoring und Ertragsanalyse: Wie das IWES die Effizienz von Offshore-Windparks signifikant steigert
Gemeinsam mit anderen Akteuren hat das Fraunhofer IWES die Installation und den Betrieb zahlreicher Windenergieanlagen (WEA) realisiert. Dabei ist, neben der einmaligen Expertise, eine einzigartige Felddatensammlung entstanden. Sie trägt wesentlich dazu bei, die Zuverlässigkeit von WEA-Komponenten signifikant zu steigern, Kosten und Risiken effektiv zu verringern, OPEX-Modellierungen und Kosten-Nutzen-Analysen zu realisieren und Lösungen und Analysen zur Ausfallfrüherkennung durchzuführen. Das IWES realisiert zudem numerische Strömungssimulationen (CFD) zum Schutz der elastischen Rotorblätter. So lassen sich Anfälligkeiten der Blätter für Schwingungen – etwa bei Stillstand oder Trudeln der Anlage – erkennen und reduzieren. Für ein leistungsfähiges Projekt- und Risikomanagement bietet das IWES Projektplan- und Wetterrisikoanalysen an, um frühzeitig potenzielle Risiken zu bewerten. Mittels Post-Construction- und Performance-Analysen beurteilt das IWES Leistung und Effizienz bestehender Offshore-Windparks. Ebenfalls im Portfolio: optimierte Instandhaltungskonzepte, Beurteilung bestehender Konzepte und Optimierung der O&M-Logistik, um maßgeschneiderte, kosteneffiziente Lösungen zu kreieren.
Technische Zuverlässigkeit
Besseres Verständnis und Verbesserung von O&M-Aktivitäten
Das Fraunhofer IWES weist eine lange Erfolgsgeschichte bei öffentlich geförderten Projekten zu den Themen Zuverlässigkeit von Leistungsumrichtern, Ursachenanalyse, Zustandsüberwachung und Digitalisierung von O&M-Daten vor. Zusätzlich verfügt das IWES über Erfahrungen in der O&M-Modellierung, Kosten-Nutzenanalyse und Optimierung von O&M-Strategien auf der Basis von Felddaten.
Mehr Informationen im Datenblatt hier: Understanding and improving O&M activities
Verlässlichere WEA-Komponenten dank einzigartiger Felddatensammlung
Durch viele Jahre Forschung hat das IWES eine umfangreiche Fachkompetenz im Bereich der Untersuchung von Ausfallursachen von WEA-Komponenten erworben. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit Akteuren aus allen Teilen der Wertschöpfungskette. Ziel dabei ist, die Zuverlässigkeit zu verbessern und sowohl Kosten als auch verknüpfte Risiken zu verringern.
In Projekten hat das IWES eine umfangreiche, stetig wachsende Sammlung an Felddaten von mehr als 10.000 WEA generiert. Aufgrund seiner Größe, Vielfalt und Aktualität ist dieser Datensatz einzigartig und deckt eine Vielzahl von WEA-Altersklassen, -Herstellern und -Aufstellungsorten ab. Auf Basis dieses Datensatzes liefert das IWES Zuverlässigkeitsdaten für die OPEX-Modellierung und Kosten-Nutzen-Analyse. Zusätzlich bietet das IWES Lösungen für die Ausfallfrüherkennung und führt Ausfallursachenanalysen auf der Basis von Felddaten durch.
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Post-Construction-Analyse liefert Ertrags- und Performanceinformationen
Die Post-Construction-Analyse (PCA) bietet Betreibern und Eigentümern von Windenergieanlagen oder Windparks wichtige Informationen über deren Energieertrag und Performance. Das Fraunhofer IWES hat in Zusammenarbeit mit Partnern in öffentlichen und bilateralen Projekten einen repräsentativen Datensatz von Offshore-Windparkdaten gesammelt, um Methoden zur PCA zu entwickeln.
Durch die Kombination von Windpark-Ertragsdatenanalysen mit numerischen Methoden und Modellen können die Ursachen für die Performance eines Windparks isoliert betrachtet werden. Zusätzlich wird ein Datensatz aus numerischen Wettersimulationen genutzt, um relevante Parameter wie die Kalibrierung von Modellen zur Nachlaufberechnung zu berücksichtigen.
Mit der Verknüpfung der Methoden des IWES kann allerdings noch eine wesentlich größere Anzahl von Fragen beantwortet werden, beispielsweise: Wieviel hätte der Windpark tatsächlich während der Ausfälle der Netzversorgung sowie bei Einschränkungen der Einspeisung (Eisman) erwirtschaften können? Oder: Wie wirken sich benachbarte Windparks auf die Ertragserwartung aus, und können bisherige Daten dies bereits bestätigen? Aus der Anwendung der Methoden resultiert eine größere Sicherheit über den zukünftig zu erwartenden Ertrag im Vergleich zu früheren Ertragsgutachten.
Das IWES arbeitet kontinuierlich daran, das PCA-Beratungsangebot für die Windindustrie zu optimieren und treibt die Standardisierung der Verfahren in einem aktuellen Forschungsprojekt voran.
Visualisierung der typischerweise verfügbaren Felddaten eines Windparks
Zertifizierung I Akkreditierung
Numerische Ertrags- und Standortanalyse
Gegenmaßnahmen bei zu starken Schwingungen: Anfälligkeiten von Rotorblättern identifizieren
Ein Stillstand oder Ausfall einer WEA kann zum Trudeln der Anlage führen. Dies wiederum kann zur Folge haben, dass Wind bei sehr hohen Anstellwinkeln auf die Rotorblätter trifft. Dabei kommt es zu Wirbelablösungen, welche stark wechselnde Lasten an den Blättern auslösen und die Rotorblätter in Schwingungen versetzen können. Je nach Intensität der Schwingungen können sie das Blatt oder die Anlage beschädigen oder gar zerstören. Weil es für diesen Vorgang noch keine zuverlässigen Modelle gibt, führt das IWES numerische Strömungssimulationen (CFD) an elastischen Rotorblättern durch. Damit wird es möglich, die Anfälligkeit eines Rotorblattes für solche Schwingungen unter bestimmten Szenarien zu identifizieren und ggf. Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Numerische Strömungssimulation als Lösungsansatz
Rotorblätter von Windenergieanlagen werden aktuell schlank und flexibel gebaut. Dies hat verschiedene, auch aerodynamische, Vorteile. Ein Nachteil ist, dass sich durch die Flexibilität ungewünschte Schwingungen aufbauen können. In der Auslegung der Blätter kann für den Standardbetrieb der Anlagen das Verhalten der Rotorblätter recht gut bestimmt und berechnet werden. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn das Strömungsverhalten an den Blättern stark instationär wird, z. B. aufgrund von Wirbelablösungen. Das passiert bei hohen Windgeschwindigkeiten oder in Fällen, in denen die Anlage nicht im Betrieb ist oder, im Extremfall, nicht mehr gesteuert werden kann.
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Numerische Strömungssimulationen (engl. Computational Fluid Dynamics – CFD) erlauben genau dieses Problem durch einen physik-basierten Ansatz der Strömungsrechnung zu untersuchen. Das IWES hat in dem Open Source Code OpenFoam die Möglichkeit einer Strömungsstruktur-gekoppelten Simulation geschaffen. Dabei werden für die Struktur nichtlineare Balken nach der geometrisch exakten Balkentheorie (GEBT) abgebildet, um auch große Deformationen exakt abbilden zu können. Mit dieser Methode ist es möglich, die Schwingungen von Blättern in kritischen Fällen im Detail zu analysieren und mit vereinfachten Modellrechnungen zu vergleichen.
Umfassendes Know-how zur Simulation von Windenergieanlagen
Im Rahmen von OpenFoam wurde ein umfassender Simulationsaufbau für Windenergieanlagen vom Fraunhofer IWES entwickelt und wird im Rahmen von IEA Wind Task 47 und Daten aus dem HighRe-Projekt kontinuierlich validiert. So ist es möglich, trudelnde Anlagen oder auch dynamisches Yawing der Anlagen in der Simulation zu erfassen. Unabhängig vom Wirbelproblem können dazu auch aerodynamische Elemente in die Simulation einbezogen werden, die zu Verbesserung der Aerodynamik beitragen.
High Performance Computing für die Windenergie
CFD-Rechnungen sind sehr zeitaufwendig. Das IWES nutzt sein langjähriges Know-how im Bereich der Hochleistungsrechnungen auf entsprechenden Computern, um die Berechnungen optimiert und effizient durchzuführen. Das IWES berät und schult Unternehmen, um die Möglichkeiten der Open Source CFD auch für die Industrie zu eröffnen.
Zertifizierung I Akkreditierung
Windparkoptimierung Flow © Fraunhofer IWES
Offshore-Logistik
Projekt- und Risikomanagement für Offshore-Windparks: Kosten minimieren und Effizienz steigern
Ein leistungsfähiges Projekt- und Risikomanagement bildet die Grundlage für eine erfolgreiche und kosteneffiziente Planung, Errichtung und Betrieb von Offshore-Windparks. In der Planungs- und Ausführungsphase bietet das IWES Projektplan- und Wetterrisikoanalysen an, um potenzielle Risiken frühzeitig zu identifizieren und zu bewerten. Dank seiner Expertise kann das IWES dabei helfen, Risiken zu minimieren und die Effizienz der Projektlogistik zu optimieren.
Für bereits errichtete Offshore-Windparks lassen sich mit den Post-Construction- und Performance-Analysen Leistung und Effizienz des Parks bewerten. Basierend auf den Ergebnissen kann das IWES Empfehlungen zur Optimierung geben. Durch die konzeptionelle Auslegung von Instandhaltungskonzepten für Offshore-Windparks sowie die Beurteilung bestehender Konzepte hilft das IWES, die optimale Betriebsstrategie für Windparks zu finden und Kosten zu minimieren.
Darüber hinaus bietet das IWES die Optimierung der O&M-Logistik an, um Betrieb und Instandhaltung der Offshore-Windparks effizienter zu gestalten. Das IWES analysiert die logistischen Prozesse und entwickelt maßgeschneiderte Lösungen, um die Verfügbarkeit der Turbinen zu maximieren und die Betriebs- und Instandhaltungskosten zu optimieren.
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Mit gezielten Strategien die Energieerzeugungskosten von Offshore-Windparks senken
Durch die Evaluierung und Entwicklung von Konzepten und zukunftsorientierter Methoden werden die Installations- und Betriebskonzepte von Offshore-Windparks verbessert. Dieses Ziel wird durch den Einsatz innovativer Inhouse-Software-Tools erreicht, mit denen die Installation und der gesamte Lebenszyklus eines Offshore-Windparks in detaillierten Zeitreihensimulationen abgebildet und analysiert werden.
Die entwickelten Software-Tools identifizieren potenzielle Probleme und Risiken, insbesondere Wetterrisiken, die während der Installation und des Betriebs eines Offshore-Windparks auftreten. Anhand der erworbenen Erkenntnisse kann das IWES Strategien entwickeln, um diese Risiken zu evaluieren und zu analysieren. Aus diesen Analysen werden Handlungsempfehlungen abgeleitet, die dazu beitragen, Offshore-Windparks im Hinblick auf Effizienz und Kosten zu optimieren.
Durch die gewonnenen Kenntnisse der Installations- und Betriebskonzepte sowie deren assoziierte Risiken für Offshore-Windparks können die Energieerzeugungskosten dieser Parks gesenkt werden. Darüber hinaus sind die Software-Tools durch die Bereitstellung äußerst detaillierter Simulationen von Offshore-Windparks in der Lage, eine Vielzahl weiterer Performance Indikatoren und KPIs zu liefern.
OffshoreTIMES Simulationswerkzeug für Betrieb und Wartung - Input-Output-Struktur
Zertifizierung I Akkreditierung
