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Rolfes 29.06.2012 Fortschritte der Windenergie Raimund Rolfes www.energiexperten.org Leiter Institut für Statik und Dynamik Leibniz Universität Hannover.

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1 Rolfes Fortschritte der Windenergie Raimund Rolfes Leiter Institut für Statik und Dynamik Leibniz Universität Hannover Leiter des Standorts Hannover Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik

2 Rolfes Gliederung Historisches der Windenergie Aktuelle Forschung Internationale Forschungszentren Visionen der Zukunft Chinesische Windmühle, etwa 1000 n.Chr. [wikipedia] Offshore-Windpark alpha ventus

3 Rolfes 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 Modell: P. Strommeyer, 1979, Historisches Museum Hannover

4 Misserfolg als Initialzünder der modernen Windenergie Rolfes GROWIAN, Kaiser-Wilhelm-Koog bei Marne [sonnenertrag.eu] 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

5 Rolfes Entwicklung der Windenergienutzung zu einem bedeutenden Wirtschaftszweig Wissenschaftliches Mess- und Evaluierungsprogramm WMEP Vom BMU gefördertes Programm ( ) Ziel: Gewinnung von statistisch relevanten Erfahrungswerten über den praktischen Einsatz von Windenergieanlagen in Deutschland Ausfälle 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

6 Leistungssteigerung von WEA, Upscaling Rolfes Nennleistung [kW] Rotordurchmesser Nabenhöhe Jahresenergieertrag [MWh] Quelle: IWR, 2008 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

7 Erste Offshore-Projekte in Dänemark Rolfes Pionierarbeit in Vindeby x 450 kW Bonus WEA

8 Prognose: Offshore-Markt, Europa Rolfes Bis 2020: überdurchschnittliches Wachstum

9 Prognose: Offshore-Markt, Europa Rolfes – 2030: kontinuierlicher Zubau

10 Prognose: Offshore-Markt, Welt Rolfes Offshore-Windenergie wird auch mittelfristig ein europäisches Thema bleiben

11 Offshore-Markt: globale Entwicklung Rolfes

12 Wesentliche OEMs im aktuellen Markt Rolfes

13 Forschungsverbund ForWind - IWES Rolfes ForWind Hannover (Koordinationsbüro ForWind-IWES) ForWind Oldenburg (Geschäftsstelle) ForWind Bremen IWES Bremerhaven IWES Kassel IWES Gruppe Tragstrukturen IWES Gruppe Numerische Strömungs- und Systemdynamik

14 Rolfes Gliederung Historisches der Windenergie Aktuelle Forschung Internationale Forschungszentren Visionen der Zukunft

15 Offshore Round 3 in Großbritannien Rolfes Errichtung von 9 Offshore- Windparks 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

16 Rolfes Deutsche Offshore-Projekte [BSH] Herausforderungen: Entfernung zur Küste, Wassertiefe, Boden

17 Deutsche Nordsee Rolfes

18 Nordsee, In Betrieb Rolfes Testfeld alpha ventus Wassertiefe: m Anlagentyp: (Nabenhöhe / Rotordurchmesser) 6 x REpower 5M92 m / 126 m Gründungstyp: Jacket 6 x Multibrid M m / 116 m Gründungstyp: Tripod Gesamtleistung: 60 MW [gigawind] [energynet]

19 Nordsee, Im Bau Rolfes BARD Offshore I Wassertiefe:ca. 40 m Anlagentyp: (Nabenhöhe / Rotordurchmesser) 80 x BARD 5 MW90 m / 122 m Gründungstyp: Tripile Gesamtleistung: 400 MW [bard-offshore]

20 Nordsee, Im Bau Rolfes Borkum West II Wassertiefe: ca. 30 m Anlagentyp: (Nabenhöhe / Rotordurchmesser) 80 x AREVA Wind M m / 116 m Gründungstyp: Tripod Gesamtleistung: 400 MW [trianel-borkum]

21 Nordsee, Im Bau Rolfes Riffgat Wassertiefe: m Anlagentyp: (Nabenhöhe / Rotordurchmesser) 30 x Siemens SWT m / 120 m Gründungstyp: Monopile Gesamtleistung: 108 MW [siemens]

22 Ostsee, In Betrieb Rolfes Baltic I Wassertiefe: m Anlagentyp: (Nabenhöhe / Rotordurchmesser) 21 x Siemens SWT m / 93 m Gründungstyp: Monopile Gesamtleistung: 48,3 MW [EnBW]

23 Deutsche Offshore Windpark-Projekte sind anspruchsvoll Rolfes Deutsche Offshore-Bedingungen im internationalen Vergleich, Quelle: EWEA Durchschnittliche Wassertiefe in m Durchschnittliche Entfernung zur Küste in km

24 Forschung im Offshore-Testfeld alpha ventus Rolfes Gründungs- und Tragstrukturen Gründungen GIGAWIND alpha ventus Ökologie, Sicherheit und Akzeptanz Hydroschall Ökologie soziale Akzeptanz Ozeanographie Betriebsschall Sonartransponder Anlagentechnik und Monitoring AREVA Multibrid M5000 Optimierung REpower Rotorblatt RAVE – Lidar Offshore – WMEP Netzintegration elektrische Übertragungsnetze

25 GIGAWIND alpha ventus Rolfes Ganzheitliches Dimensionierungskonzept für OWEA-Tragstrukturen anhand von Messung im Offshore-Testfeld alpha ventus Forschungsverbund: LUH (75%), IWES (25%) Förderer: BMU Industriepartner: Areva Wind GmbH, REpower Systems SE Projektziele Kostenminimierung von Offshore-Tragstrukturen (Türme, verschiedene Gründungskonstruktionen, Gründung. Kostenanteil der Tragstruktur an OWEA: %) Entwicklung leichterer Gründungskonstruktionen (Materialkosten) Optimierung des Entwurfsprozesses (Personalkosten) Integration unterschiedlicher Software-Tools in DESIO Validierung mittels Messdaten aus dem Testfeld alpha ventus

26 GIGAWIND alpha ventus Rolfes : über 4400 Volllaststunden und bis zu 97 % Verfügbarkeit Messdaten aus alpha ventus

27 Forschung an Tragstrukturen Rolfes Standardgründungskonzepte eignen sich je nach Wassertiefe bis etwa 20m:Monopile, Schwergewicht 20m bis 40m:Tripod, Jacket, Bucket Jacket Bucket Ziel: Designoptimierung Dimensionierung der Tragstruktur, so dass die WEA den Bedürfnissen und Anforderungen gerecht wird und zugleich möglichst kostengünstig erstellt werden kann. Iterativer Prozess

28 Warum Schadensfrüherkennung? Rolfes 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

29 Schadensfrüherkennung Rolfes Ansprüche an die Überwachung einer Offshore-Tragstuktur (SHM): (Gründung, Turm und Rotorblätter) Inverse Lastermittlung aus gemessenen Strukturantworten Schadensfrüherkennung und Lokalisierung Abschätzung der Resttragfähigkeit und Restlebensdauer Serienmäßiger, kostengünstiger Offshore-Einsatz SHM-System für Offshore-WEA Erprobung des Systems an der angespannten Onshore-Anlage Südwind 1200 in Rambow

30 Schadensfrüherkennung Rolfes Proportionalitätsmethode Ansatz Schadensfrüherkennung –Maximale dynamische Spannung ist proportional zur maximalen Schwinggeschwindigkeit bezogen auf die jeweilige Eigenform –Proportionalitätsfaktor als Schadensindikator –Beobachtung der Abweichung zum Referenzwert Größere Sensitivität im Vergleich zur Eigenfrequenz Testanlage in San Diego Intaktes Systems: p system,ref = 59.5 MNs/m 3 Mit gelösten Bolzen: p system, dam = 56.7 MNs/m 3 Abweichung: 4.7% Veränderung der Eigenfrequenz: nur 1.7% (Δf 0 = 0.03 Hz)

31 Schadensfrüherkennung für Rotorblätter Rolfes Spitze Messung der Beschleunigungen oder Auslenkungen Erweiterung des SHM-Systems auf Rotorblätter: Notwendig: Innovatives, kabelloses Messsystem Extrem variabler Querschnitt Messung der Dehnungen Flügelhinterkante Anschluß- bereich

32 Schadensfrüherkennung für Rotorblätter Rolfes Spitze Messung der Beschleunigungen oder Auslenkungen Messung der Dehnungen Flügelhinterkante Befestigung der passiven Einheit Aktive Einheit Dehnungsmessung mit faseroptischen Bragg-Gittern gespannte Carbonfaserstränge Erweiterung des SHM-Systems auf Rotorblätter: Notwendig: Innovatives, kabelloses Messsystem Extrem variabler Querschnitt Anschluß- bereich

33 Rolfes 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

34 Rolfes Schallemission von Offshore-WEA Hydroschalleinleitung ins Meereswasser: Schalleintrag aus der Luft (vernachlässigbar) Schalleintrag über die Struktur Schalleintrag über den Meeresboden Schalleintrag während der Betriebsphase Schalleintrag während der Bauphase Schweinswal

35 Schallmindernde Maßnahmen Rolfes Erprobung des Blasenschleiers bei FINO 3 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: Abschluss- bericht Schall II Test verschiedener Blasenformationen

36 Gestufter vs. Großer Blasenschleier Gestufter Blasenschleier: beste Minderung für f > 300 Hz SEL: dB Großer Blasenschleier: beste Minderung für 1 kHz < f < 3 kHz SEL: 12 dB 27 Vergleich der Ergebnisse im Frequenzbereich

37 Wohin mit dem Strom? Rolfes Offshore-Windpark alpha ventus, Quelle DPA 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

38 Rolfes Gliederung Historisches der Windenergie Aktuelle Forschung Internationale Forschungszentren Visionen der Zukunft

39 Rolfes Internationale Forschungszentren Schwerpunkt: Erneuerbare Energien NREL RISØ / DTU ECN / TUD CENER NaREC IWES / ForWind Biomasse Geothermie Brennstoffzellen Solarenergie Windenergie Photovoltaik Gebäudenachhaltigkeit Netzintegration

40 Rolfes Internationale Forschungszentren NREL _National Renewable Energy Laboratory (USA) Quelle: Themen im Bereich Wind Low wind speed technologies Komponententechnologie Kleine Windräder Netzintegration Beratung Umweltverträglichkeit 2,5 MW Antriebsstrang- und Getriebe-Teststand mit variabler Testgeschwindigkeit Resonanz-Rotorblatttests für Blattlängen von 37 m National wind technology center in Calorado (USA) mit 1,5 – 2,3 MW Anlagen

41 Rolfes Internationale Forschungszentren RISØ _National Laboratory for Sustainable Energy (DK) Quelle: Projekt ENDOW – Efficient develop- ment of offshore wind farms Themen im Bereich Wind Meteorologie Aeroelastischer Entwurf Windenergiesysteme Windturbinen Test und Messung Ausbildung Windgeschwindigkeits- messung mit LIDAR Zusammenarbeit mit der DTU – Technical University of Denmark Rotorblatteststand für Blätter bis 100 m (www.blaest.com) VELUX Open Jet Facility (Windkanal) Testfeld für große Windturbinen in Høvsøre BLAEST – Rotorblattestzentrum in Kooperation mit DNV und FORCE Technology Testeinrichtungen

42 Rolfes Internationale Forschungszentren ECN _Energy Research Center of the Netherlands (NL) Quelle: Testfeld in Wieringermeer mit fünf 2,5 MW Anlagen Themen im Bereich Wind Aero-servo-elastische Simulation Integrierte Windparkanalyse Risikoanalysen Betrieb und Wartung In-situ-Messungen Intelligente Netze WMC Testzentrum statische Test Ermüdungstests an Komponenten herkommlicher WEA, z.B. Rotorblätter bis 60 m WMC _ Knowledge center for testing of wind turbine, material and constructions Zusammenarbeit mit der TUD – Delft University of Technology

43 Rolfes Internationale Forschungszentren CENER _Centro nacional de energías renovables (ESP) Quelle: links: Teststand An- triebsstrang (bis 5 MW) unten: Rotorblattprüf- stand (bis 85 m) Themen im Bereich Wind WEA Analyse und Entwurf WEA Zertifizierung Windprognosen Offshore Windenergie WEA Testzentrum 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) Testeinrichtungen

44 Rolfes Internationale Forschungszentren NaREC _New and renewable energy center (UK) Quelle: Rotorblattteststand für Blattlängen bis 70 m Themen im Bereich Wind Entwicklung von Generator und Antriebsstrang Verbundmaterialien Netzintegration Prototypenentwicklung small und full-scale Testeinrichtungen Gondelteststand bis 10 MW Rotorblatttests für Blattlängen bis zu 100 m Prototyptests und Testgelände (On- und Offshore) Hafenanbindung für Offshore Lieferung und Vertrieb zeiteffiziente Entwicklung vom Prototypen zum Fertigung geplant: großeTesteinrichtungen

45 Rolfes Versuchsinfrastruktur ForWind - IWES IWES _Versuchsinfrastruktur Virtuelles Stromversorgungssystem Virtuelle Systemtechnik Testfeld für elektrische Netze Kassel 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) Bremerhaven Testzentrum Tragstrukturen (Nutzung) Hannover Rechencluster Oldenburg Rotorblatt-Teststand in Bremerhaven Gondel-Prüfstand in Bremerhaven

46 Rolfes Versuchsinfrastruktur ForWind - IWES ForWind _Versuchsinfrastruktur Forschungsanlage Großverzahnungslabor) Bremen Testzentrum Tragstrukturen Generator Umrichter-Prüfstand 1MW Großer Wellenkanal Wälzlagerprüfstand 3D Wellenbecken Hannover Turbulenzwindkanal (geplant) Oldenburg Turbolenzkanal Testzentrum Tragstrukturen

47 Rolfes Gliederung Historisches der Windenergie Aktuelle Forschung Internationale Forschungszentren Visionen der Zukunft

48 Schwimmende Anlagen Rolfes Konzepte schwimmender Windenergieanlagen für das Mittelmeer Realisierung bis 2020 denkbar

49 Fliegende Windenergieanlage Rolfes Quelle: Fraunhofer IWES Flugkurve Design

50 Rolfes Schwimmende Windkraftwerkplattform, Quelle: green-hype.de ©Hexicon Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


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