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] Rolfes 29.06.2012

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 46 70 115 Nabenhöhe 40 50 78 100 120 Jahresenergieertrag [MWh] 35 95 400 1250 3500 17000 Rolfes 29.06.2012

Erste Offshore-Projekte in Dänemark Pionierarbeit in Vindeby 1991 11 x 450 kW Bonus WEA Rolfes 29.06.2012

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 Rolfes 29.06.2012

Offshore-Markt: globale Entwicklung Rolfes 29.06.2012

Wesentliche OEMs im aktuellen Markt Rolfes 29.06.2012

Forschungsverbund ForWind - IWES IWES Bremerhaven ForWind Bremen ForWind Oldenburg (Geschäftsstelle) ForWind Hannover (Koordinationsbüro ForWind-IWES) IWES Gruppe „Numerische Strömungs- und Systemdynamik“ IWES Gruppe „Tragstrukturen“ IWES Kassel Rolfes 29.06.2012

Gliederung Historisches der Windenergie Aktuelle Forschung Internationale Forschungszentren Visionen der Zukunft Rolfes 29.06.2012

Offshore Round 3 in Großbritannien 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 Rolfes 29.06.2012

Deutsche Offshore-Projekte [BSH] Herausforderungen: Entfernung zur Küste, Wassertiefe, Boden Rolfes 29.06.2012

Deutsche Nordsee Rolfes 29.06.2012

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] [energynet] Rolfes 29.06.2012

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] Rolfes 29.06.2012

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

Deutsche Offshore Windpark-Projekte sind anspruchsvoll Durchschnittliche Entfernung zur Küste in km Durchschnittliche Wassertiefe in m Deutsche Offshore-Bedingungen im internationalen Vergleich, Quelle: EWEA Rolfes 29.06.2012

Forschung im Offshore-Testfeld alpha ventus www.rave-offshore.de 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 Rolfes 29.06.2012

GIGAWIND alpha ventus 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: 30 - 35%) Entwicklung leichterer Gründungskonstruktionen (Materialkosten) Optimierung des Entwurfsprozesses (Personalkosten) Integration unterschiedlicher Software-Tools in DESIO Validierung mittels Messdaten aus dem Testfeld “alpha ventus” www.gigawind.de Rolfes 29.06.2012

Messdaten aus alpha ventus 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: Monopile, Schwergewicht 20m bis 40m: Tripod, 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 „Bucket“ „Jacket“ Rolfes 29.06.2012

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 Rolfes 29.06.2012

Schadensfrüherkennung 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 Erprobung des Systems an der angespannten Onshore-Anlage „Südwind 1200“ in Rambow SHM-System für Offshore-WEA Rolfes 29.06.2012

Schadensfrüherkennung 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 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) Testanlage in San Diego Rolfes 29.06.2012

Schadensfrüherkennung für Rotorblätter Erweiterung des SHM-Systems auf Rotorblätter: Notwendig: Innovatives, kabelloses Messsystem Extrem variabler Querschnitt Spitze Flügelhinterkante Messung der Beschleunigungen oder Auslenkungen Anschluß-bereich 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 Anschluß-bereich gespannte Carbonfaserstränge Dehnungsmessung mit faseroptischen Bragg-Gittern Messung der Dehnungen Rolfes 29.06.2012

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: Abschluss-bericht „Schall II“ Erprobung des Blasenschleiers bei FINO 3 Test verschiedener Blasenformationen Rolfes 29.06.2012

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 Rolfes 29.06.2012

Gliederung Historisches der Windenergie Aktuelle Forschung Internationale Forschungszentren Visionen der Zukunft Rolfes 29.06.2012

Internationale Forschungszentren Schwerpunkt: Erneuerbare Energien RISØ / DTU NaREC IWES / ForWind NREL ECN / TUD CENER Biomasse Geothermie Brennstoffzellen Solarenergie Windenergie Photovoltaik Gebäudenachhaltigkeit Netzintegration Rolfes 29.06.2012

Internationale Forschungszentren NREL_National Renewable Energy Laboratory (USA) Themen im Bereich Wind „Low wind speed technologies“ Komponententechnologie Kleine Windräder Netzintegration Beratung Umweltverträglichkeit 2,5 MW Antriebsstrang- und Getriebe-Teststand mit variabler Testgeschwindigkeit 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 Rolfes 29.06.2012

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 develop-ment of offshore wind farms Windgeschwindigkeits-messung mit LIDAR Zusammenarbeit mit der DTU – Technical University of Denmark Testeinrichtungen VELUX Open Jet Facility (Windkanal) Testfeld für große Windturbinen in Høvsøre BLAEST – Rotorblattestzentrum in Kooperation mit DNV und FORCE Technology Rotorblatteststand für Blätter bis 100 m (www.blaest.com) Rolfes 29.06.2012

Internationale Forschungszentren ECN_Energy Research Center of the Netherlands (NL) Themen im Bereich Wind Aero-servo-elastische Simulation Integrierte Windparkanalyse Risikoanalysen Betrieb und Wartung In-situ-Messungen Intelligente Netze WMC Testzentrum Testfeld in Wieringermeer mit fünf 2,5 MW Anlagen Zusammenarbeit mit der TUD – Delft University of Technology WMC _ Knowledge center for testing of wind turbine, material and constructions statische Test Ermüdungstests an Komponenten herkommlicher WEA, z.B. Rotorblätter bis 60 m Quelle: www.ecn.nl Rolfes 29.06.2012

Internationale Forschungszentren CENER_Centro nacional de energías renovables (ESP) Quelle: www.cener.com Themen im Bereich Wind WEA Analyse und Entwurf WEA Zertifizierung Windprognosen Offshore Windenergie WEA Testzentrum links: Teststand An-triebsstrang (bis 5 MW) unten: Rotorblattprüf-stand (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 NaREC_New and renewable energy center (UK) Quelle: www.narec.co.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 → zeiteffiziente Entwicklung vom Prototypen zum Fertigung Rotorblattteststand für Blattlängen bis 70 m Rolfes 29.06.2012

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) Rotorblatt-Teststand in Bremerhaven Kassel Gondel-Prüfstand in Bremerhaven Virtuelles Stromversorgungssystem Virtuelle Systemtechnik Testfeld für elektrische Netze Hannover Testzentrum Tragstrukturen (Nutzung) Oldenburg Rechencluster Rolfes 29.06.2012

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

Fliegende Windenergieanlage Design Flugkurve Quelle: Fraunhofer IWES Rolfes 29.06.2012

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Schwimmende Windkraftwerkplattform, Quelle: green-hype.de ©Hexicon Rolfes 29.06.2012