Internationale Forschungszentren

Report
Fortschritte der Windenergie
Raimund Rolfes
Leiter
Institut für Statik und Dynamik
Leibniz Universität Hannover
Leiter des Standorts Hannover
Fraunhofer-Institut für Windenergie
und Energiesystemtechnik
www.energiexperten.org
Rolfes 29.06.2012
Gliederung
• Historisches der Windenergie
• Aktuelle Forschung
• Internationale Forschungszentren
• Visionen der Zukunft
Chinesische Windmühle, etwa 1000 n.Chr. [wikipedia]
Offshore-Windpark alpha ventus
Rolfes 29.06.2012
Gliederung
• Historisches der Windenergie
• Aktuelle Forschung
• Internationale Forschungszentren
• Visionen der Zukunft
Windkraftnutzung zum Antrieb von
Pumpen zwecks Entwässerung im Harz,
Konstrukteur: Gottfried Wilhelm Leibniz,
Clausthal 1678.
Modell: P. Strommeyer, 1979,
Historisches Museum Hannover
Rolfes 29.06.2012
Misserfolg als Initialzünder der
modernen Windenergie
GroWiAn
• Öffentlich geförderte Windkraftanlage (BMFT)
• 3 MW Anlage
• Nabenhöhe / Rotordurchmesser: 96 m / 100 m
• Einweihung: Oktober 1983 (weltgrößte Anlage)
• Stilllegung: August 1987, nur 420 Betriebsstunden
• nicht beherrschbare Lasten und Materialprobleme (Risse
in Rotorblättern) , Auslegung als zweiblättriger Lee-Läufer
Erkenntnisse aus dem Projekt:
• Einzelne Großanlagen können nicht mit konventionellen
Kraftwerken konkurrieren
Konzept Windkraftwerk: Zusammenfassung mehrerer
kleinerer Anlagen zu Windenergieparks
GROWIAN, Kaiser-Wilhelm-Koog bei
Marne [sonnenertrag.eu]
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Entwicklung der Windenergienutzung zu
einem bedeutenden Wirtschaftszweig
Wissenschaftliches Mess- und Evaluierungsprogramm WMEP
• Vom BMU gefördertes Programm (1990-2006)
• Ziel: Gewinnung von statistisch relevanten Erfahrungswerten über den
praktischen Einsatz von Windenergieanlagen in Deutschland
• wissenschaftlich-technische
Auswertungen bezüglich:
▫ meteorologischer Bedingungen
▫ Zuverlässigkeit der Anlagen
▫ Beitrag der Windenergie zur
Deckung des Stromverbrauchs
▫ Kosten für die Bereitstellung
der elektrischen Energie
Ausfälle von Windenergieanlagen in Deutschland
Rolfes 29.06.2012
Leistungssteigerung von WEA,
Upscaling
Weitere Anlagenoptimierung der letzten
10 Jahre neben Upscaling, u.a.:
• verbesserter Umgang mit Lasten
• Verringerung des Gewichts durch
neue Designansätze
• Verbesserung der Systeme und
Komponenten
Quelle: IWR, 2008
1980
1985
1990
1995
2000
2005
Nennleistung [kW]
30
80
250
600
1500
5000
Rotordurchmesser
15
20
30
46
70
115
Nabenhöhe
30
40
50
78
100
120
Jahresenergieertrag [MWh]
35
95
400
1250
3500
17000
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Erste Offshore-Projekte in Dänemark
Support policies to drive offshore wind – Denmark
• Pionierarbeit in Vindeby
1991
Map of Danish offshore wind projects
• 11 x 450 kW Bonus WEA
Source: The Danish Energy Agency, 2010
Rolfes 29.06.2012
Offshore Wind Report 2010
November 2010 - Page 25
Prognose: Offshore-Markt, Europa
Bis 2020: überdurchschnittliches Wachstum
Rolfes 29.06.2012
Prognose: Offshore-Markt, Europa
2020 – 2030: kontinuierlicher Zubau
Rolfes 29.06.2012
Prognose: Offshore-Markt, Welt
Offshore-Windenergie wird auch
mittelfristig ein europäisches Thema bleiben
Future offshore wind market forecast and predictions
Rolfes
29.06.2012
Offshore
Wind Report 2010
November 2010 - Page 104
Offshore-Markt: globale Entwicklung
Rolfes 29.06.2012
Wesentliche OEMs im aktuellen Markt
Rolfes 29.06.2012
Forschungsverbund ForWind - IWES
IWES Bremerhaven
ForWind Oldenburg
(Geschäftsstelle)
IWES Gruppe
„Numerische
Strömungs- und
Systemdynamik“
ForWind Bremen
ForWind Hannover
(Koordinationsbüro
ForWind-IWES)
IWES Gruppe
„Tragstrukturen“
IWES Kassel
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Gliederung
• Historisches der Windenergie
• Aktuelle Forschung
• Internationale Forschungszentren
• Visionen der Zukunft
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Offshore Round 3 in Großbritannien
• Errichtung von 9 OffshoreWindparks ab 2013
• Bis 2020 installierte
Gesamtkapazität von 32 GW
• Beteiligung deutscher Konzerne
(RWE, E.ON, Siemens)
• Far Offshore:
neue WEA-Generation und
Elektrizitätsinfrastruktur
erforderlich
Quelle: cleantech.infoponic.com
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Deutsche Offshore-Projekte
[BSH]
Herausforderungen: Entfernung zur Küste, Wassertiefe, Boden
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Deutsche Nordsee
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Nordsee, In Betrieb
Testfeld alpha ventus
Wassertiefe:
27 - 30 m
Anlagentyp:
(Nabenhöhe / Rotordurchmesser)
• 6 x REpower 5M
92 m / 126 m
Gründungstyp: Jacket
• 6 x Multibrid M5000 94 m / 116 m
Gründungstyp: Tripod
Gesamtleistung:
60 MW
[gigawind]
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[energynet]
Nordsee, Im Bau
BARD Offshore I
Wassertiefe:
ca. 40 m
Anlagentyp:
(Nabenhöhe / Rotordurchmesser)
• 80 x BARD 5 MW
90 m / 122 m
Gründungstyp: Tripile
Gesamtleistung:
400 MW
[bard-offshore]
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Nordsee, Im Bau
Borkum West II
Wassertiefe:
ca. 30 m
Anlagentyp:
(Nabenhöhe / Rotordurchmesser)
• 80 x AREVA Wind M5000
90 m / 116 m
Gründungstyp: Tripod
Gesamtleistung:
400 MW
[trianel-borkum]
Rolfes 29.06.2012
Nordsee, Im Bau
Riffgat
Wassertiefe:
18 - 23 m
Anlagentyp:
(Nabenhöhe / Rotordurchmesser)
• 30 x Siemens SWT-3.6-120 90 m / 120 m
Gründungstyp: Monopile
Gesamtleistung:
108 MW
[siemens]
Rolfes 29.06.2012
Ostsee, In Betrieb
Baltic I
Wassertiefe:
16 - 19 m
Anlagentyp:
(Nabenhöhe / Rotordurchmesser)
• 21 x Siemens SWT 2.3-93 67 m / 93 m
Gründungstyp: Monopile
Gesamtleistung:
48,3 MW
[EnBW]
Rolfes 29.06.2012
Durchschnittliche Entfernung zur Küste in km
Deutsche Offshore Windpark-Projekte
sind anspruchsvoll
Durchschnittliche Wassertiefe in m
Deutsche Offshore-Bedingungen im internationalen Vergleich, Quelle: EWEA
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Forschung im Offshore-Testfeld
alpha ventus www.rave-offshore.de
Gründungs- und
Tragstrukturen
Ökologie, Sicherheit
und Akzeptanz
• Gründungen
• GIGAWIND alpha ventus
• Hydroschall
• Ökologie
• soziale Akzeptanz
• Ozeanographie
• Betriebsschall
• Sonartransponder
Anlagentechnik und Monitoring
• AREVA Multibrid M5000 Optimierung
• REpower Rotorblatt
• RAVE – Lidar
• Offshore – WMEP
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Netzintegration
• elektrische Übertragungsnetze
GIGAWIND alpha ventus
Ganzheitliches Dimensionierungskonzept für OWEA-Tragstrukturen
anhand von Messung im Offshore-Testfeld alpha ventus
Forschungsverbund:
Förderer:
Industriepartner:
LUH (75%), IWES (25%)
BMU
Areva Wind GmbH, REpower Systems SE
Projektziele
 Kostenminimierung von Offshore-Tragstrukturen (Türme,
verschiedene Gründungskonstruktionen, Gründung.
Kostenanteil der Tragstruktur an OWEA: 30 - 35%)
 Entwicklung leichterer Gründungskonstruktionen
(Materialkosten)
 Optimierung des Entwurfsprozesses (Personalkosten)
 Integration unterschiedlicher Software-Tools in DESIO
 Validierung mittels Messdaten aus dem Testfeld “alpha ventus”
Rolfes 29.06.2012
www.gigawind.de
GIGAWIND alpha ventus
Messdaten aus alpha ventus
2011: über 4400 Volllaststunden
und bis zu 97 % Verfügbarkeit
Rolfes 29.06.2012
Forschung an Tragstrukturen
Standardgründungskonzepte eignen sich je nach Wassertiefe
• bis etwa 20m:
• 20m bis 40m:
Monopile, Schwergewicht
Tripod, Jacket, Bucket
Ziel: Designoptimierung
Dimensionierung der Tragstruktur,
so dass
• die WEA den Bedürfnissen und
Anforderungen gerecht wird und
„Bucket“
„Jacket“
Rolfes 29.06.2012
• zugleich möglichst
kostengünstig
erstellt werden kann.
 Iterativer Prozess
Warum Schadensfrüherkennung?
• Heutige Windenergieanlagen:
Ein bis fünf zum Teil unvorhergesehene
Schäden pro Jahr
• Zukünftige Offshore-Windenergieanlagen:
• Lange Perioden ohne Wartung
• Notwendigkeit spezieller Schiffe
• Hohe Effizienzverluste durch Stillstand
• Zustandsorientierte
Instandhaltungsstrategien:
Effizienz- und Zuverlässigkeitssteigerung
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Schadensfrüherkennung
Ansprüche an die Überwachung einer Offshore-Tragstuktur (SHM):
(Gründung, Turm und Rotorblätter)
 Inverse Lastermittlung aus gemessenen
Strukturantworten
 Schadensfrüherkennung und Lokalisierung
SHM
 Abschätzung der Resttragfähigkeit
und Restlebensdauer
SHM-System für
Offshore-WEA
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 Serienmäßiger, kostengünstiger
Offshore-Einsatz
Erprobung des Systems an der
angespannten Onshore-Anlage
„Südwind 1200“ in Rambow
Schadensfrüherkennung
Proportionalitätsmethode
• Ansatz Schadensfrüherkennung
– Maximale dynamische Spannung
ist proportional zur maximalen
Schwinggeschwindigkeit bezogen
auf die jeweilige Eigenform
 dyn,max  psystem  vmax
– Proportionalitätsfaktor als
Schadensindikator
– Beobachtung der Abweichung
zum Referenzwert
 Größere Sensitivität im Vergleich zur
Eigenfrequenz
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Testanlage in San Diego
Intaktes Systems: psystem,ref = 59.5 MNs/m3
Mit gelösten Bolzen: psystem, dam = 56.7 MNs/m3
Abweichung: 4.7%
Veränderung der Eigenfrequenz:
nur 1.7% (Δf0 = 0.03 Hz)
Schadensfrüherkennung
für Rotorblätter
Erweiterung des SHM-Systems auf Rotorblätter:
• Notwendig: Innovatives, kabelloses Messsystem
• Extrem variabler Querschnitt
Spitze
Flügelhinterkante
Messung der
Beschleunigungen
oder Auslenkungen
Anschlußbereich
Messung der
Dehnungen
Rolfes 29.06.2012
Schadensfrüherkennung
für Rotorblätter
Erweiterung des SHM-Systems auf Rotorblätter:
• Notwendig: Innovatives, kabelloses Messsystem
• Extrem variabler Querschnitt
Befestigung der
passiven Einheit
Spitze
Flügelhinterkante
Messung der
Beschleunigungen
oder Auslenkungen
Aktive Einheit
Anschlußbereich
Dehnungsmessung
mit faseroptischen
Bragg-Gittern
Rolfes 29.06.2012
gespannte Carbonfaserstränge
Messung der
Dehnungen
Neue Ermüdungsmodelle für
Rotorblätter
• Rotorblätter sind mehr als 10^8 Lastzyklen
ausgesetzt
• Ein Rotorblatt weist mehr als 180
verschiedene Laminate auf
• Neues Ermüdungsschädigungsmodell auf
Schichtebene
Rolfes 29.06.2012
Schallemission von Offshore-WEA
Hydroschalleinleitung ins Meereswasser:
• Schalleintrag aus der Luft (vernachlässigbar)
• Schalleintrag über die Struktur
• Schalleintrag über den Meeresboden
Schalleintrag während
der Betriebsphase
Schweinswal
Schalleintrag während
der Bauphase
Rolfes 29.06.2012
Schallmindernde Maßnahmen
Schallminderung bei der Ausbreitung
•
Installation eines Blasenschleiers
→ Erzeugung eines Blasenstroms durch
druckluftgefüllte Rohrleitungen am
Meeresboden
→ Reflexion und Dämpfung an den
Luftblasen abhängig von deren Größe und
Verteilungsdichte
Quelle: Abschlussbericht „Schall II“
Erprobung des Blasenschleiers bei FINO 3
Test verschiedener Blasenformationen
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Gestufter vs. Großer Blasenschleier
Vergleich der Ergebnisse im Frequenzbereich
Gestufter Blasenschleier:
beste Minderung für f > 300 Hz
SEL: 12 - 14dB
Großer Blasenschleier:
beste Minderung für 1 kHz < f < 3 kHz
SEL: 12 dB
27
Wohin mit dem Strom?
Nord.Link
• Planung eines 600 km langen
1400-Megawatt-Kabels (HGÜ)
zwischen Norwegen und
Schleswig-Holstein bis 2018
• Norwegische Wasserkraftwerke
können als Zwischenspeicher
für deutschen Solar- und
Windstrom genutzt werden
Offshore-Windpark „alpha ventus“, Quelle DPA
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Gliederung
• Historisches der Windenergie
• Aktuelle Forschung
• Internationale Forschungszentren
• Visionen der Zukunft
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Internationale Forschungszentren
Schwerpunkt: Erneuerbare Energien
RISØ / DTU
NaREC
IWES / ForWind
NREL
ECN / TUD
CENER
• Biomasse
• Geothermie
• Brennstoffzellen
• Solarenergie
• Windenergie
• Photovoltaik
• Gebäudenachhaltigkeit
• Netzintegration
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Internationale Forschungszentren
NREL_National Renewable Energy Laboratory (USA)
2,5 MW Antriebsstrang- und
Getriebe-Teststand mit variabler
Testgeschwindigkeit
Themen im Bereich Wind
„Low wind speed technologies“
Komponententechnologie
Kleine Windräder
Netzintegration
Beratung
Umweltverträglichkeit
Quelle: www.nrel.gov
Resonanz-Rotorblatttests
für Blattlängen von 37 m
„National wind technology
center“ in Calorado (USA)
mit 1,5 – 2,3 MW Anlagen
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Internationale Forschungszentren
RISØ_National Laboratory for Sustainable Energy (DK)
Quelle: www.risoe.dtu.dk
Themen im Bereich Wind
Meteorologie
Aeroelastischer Entwurf
Windenergiesysteme
Windturbinen
Test und Messung
Ausbildung
Projekt ENDOW – Efficient development of offshore wind farms
Windgeschwindigkeitsmessung mit LIDAR
Zusammenarbeit mit der DTU –
Technical University of Denmark
Testeinrichtungen
Rotorblatteststand für Blätter bis 100 m
(www.blaest.com)
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• VELUX Open Jet Facility (Windkanal)
• Testfeld für große Windturbinen in Høvsøre
• BLAEST – Rotorblattestzentrum in Kooperation mit DNV und FORCE
Technology
Internationale Forschungszentren
ECN_Energy Research Center of the Netherlands (NL)
Themen im Bereich Wind
WMC Testzentrum
WMC _
Testfeld in Wieringermeer
mit fünf 2,5 MW Anlagen
Knowledge center for testing of wind turbine, material
and constructions
Aero-servo-elastische Simulation
Integrierte Windparkanalyse
Risikoanalysen
Betrieb und Wartung
In-situ-Messungen
Intelligente Netze
Zusammenarbeit mit der TUD – Delft
University of Technology
• statische Test
• Ermüdungstests
• an Komponenten herkommlicher WEA,
z.B. Rotorblätter bis 60 m
Quelle: www.ecn.nl
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Internationale Forschungszentren
CENER_Centro nacional de energías renovables (ESP)
Quelle: www.cener.com
links: Teststand Antriebsstrang (bis 5 MW)
Themen im Bereich Wind
WEA Analyse und Entwurf
WEA Zertifizierung
Windprognosen
Offshore Windenergie
WEA Testzentrum
unten: Rotorblattprüfstand (bis 85 m)
Testeinrichtungen
• Rotorblattprüfstand (bis 85 m)
• Teststand Antriebsstrang (bis 5 MW)
• Generatorteststand
• Gondelteststand (Tests + Montagetraining +Wartung)
• Windkanal (2-D aerodynamische Profile und 3-D aeroakustik)
• Verbundmateriallabor
• Test-Windpark (bis 5 MW, Prototypentest + Zertifizierung)
Rolfes 29.06.2012
Internationale Forschungszentren
Quelle: www.narec.co.uk
NaREC_New and renewable energy center (UK)
Themen im Bereich Wind
Entwicklung von Generator und Antriebsstrang
Verbundmaterialien
Netzintegration
Prototypenentwicklung „small“ und „full-scale“
Testeinrichtungen
geplant: großeTesteinrichtungen
• Gondelteststand bis 10 MW
• Rotorblatttests für Blattlängen bis zu 100 m
• Prototyptests und Testgelände (On- und Offshore)
• Hafenanbindung für Offshore Lieferung und Vertrieb
Rotorblattteststand für
Blattlängen bis 70 m
Rolfes 29.06.2012
→ zeiteffiziente Entwicklung vom Prototypen zum Fertigung
Versuchsinfrastruktur ForWind - IWES
IWES_Versuchsinfrastruktur
Bremerhaven
• Rotorblattprüfständ e(bis 90 m)
• Gondel-Prüfstand (geplant)
• Offshore Vermessung Wind und See (Bojen, LIDAR)
• Prüfstände für Erosion (Regen, Hagel) und kombinierte
Umweltbelastungen (Temperatur, Feuchte, Mechanik)
Kassel
• Virtuelles Stromversorgungssystem
• Virtuelle Systemtechnik
• Testfeld für elektrische Netze
Hannover
• Testzentrum Tragstrukturen (Nutzung)
Oldenburg
• Rechencluster
Rolfes 29.06.2012
Rotorblatt-Teststand
in Bremerhaven
Gondel-Prüfstand
in Bremerhaven
Versuchsinfrastruktur ForWind - IWES
ForWind_Versuchsinfrastruktur
Bremen
• Forschungsanlage
• Großverzahnungslabor)
Oldenburg
Turbolenzkanal
• Turbulenzwindkanal (geplant)
Hannover
• Testzentrum Tragstrukturen
• Generator Umrichter-Prüfstand 1MW
• Großer Wellenkanal
• Wälzlagerprüfstand
• 3D Wellenbecken
Testzentrum
Tragstrukturen
Rolfes 29.06.2012
Gliederung
• Historisches der Windenergie
• Aktuelle Forschung
• Internationale Forschungszentren
• Visionen der Zukunft
Rolfes 29.06.2012
Schwimmende Anlagen
• Konzepte schwimmender Windenergieanlagen für das Mittelmeer
• Realisierung bis 2020 denkbar
Rolfes 29.06.2012
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Schwimmende Windkraftwerkplattform, Quelle: green-hype.de ©Hexicon
Rolfes 29.06.2012

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