Probabilistische Lastbeschreibung, Monitoring und Reduktion der Lasten zukünftiger Offshore-Windenergieanalgen

Projektkoordinator:
Stuttgarter Lehrstuhl für Windenergie (SWE) am Institut für Flugzeugbau, Universität Stuttgart

Projektpartner

  • Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG), Universität Stuttgart
  • ForWind, Zentrum für Windenergie Forschung, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
  • Adwen GmbH
  • Senvion SE

Beschreibung

Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) sind anderen Umweltbedingungen als Onshore- WEA ausgesetzt, was zu neuen Herausforderungen bei der Auslegung neuer, großer Windenergieanlagen führt. Die umfangreichen Erfahrungen mit Onshore-WEA in Deutschland stellen die Grundlage dar, die erweitert und ausgebaut werden soll, um zuverlässige Offshore-WEA entwerfen zu können.

Das Projekt „OWEA Loads“, welches Teil der Forschungsinitiative RAVE ist und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert wird, beschäftigt sich mit der Verifikation von Schlüsselaspekten, wie dem Entwurf und dem Betrieb von Offshore-WEA. Die umfangreichen und kostenintensiven Belastungsmessungen im ersten deutschen Offshore-Testfeld alpha ventus werden wissenschaftlich ausgewertet und spezifische Fragestellungen bei der Weiterentwicklung von zukünftigen OWEA werden bearbeitet. Dazu sollen die Daten des Messmastes FINO1 sowie die an den 5MW Anlagen mit Sensoren gemessenen Lasten analysiert werden.

Das Verbundprojekt, eine Fortsetzung des Projekts “OWEA” (2009-2011), bei dem Partner aus Industrie und Forschungsinstituten zusammenarbeiten, wird vom Lehrstuhl für Windenergie (SWE) der Universität Stuttgart koordiniert. Gemeinsam arbeiten die Forscher von SWE, IAG, ForWind, Adwen und Senvion daran, die aerodynamischen, hydrodynamischen und betriebsbedingten Lasten von Offshore-Windenergieanlagen in all ihren Facetten zu beschreiben.

In drei Arbeitspaketen werden insgesamt zehn Forschungsthemen bearbeitet, deren Ziele unten dargestellt sind.

A. Lastanalyse und probabilistische Lastbeschreibung

Technisches Arbeitsziel im Unterarbeitspaket AP A.1 ist es, die aus dem „OWEA“-Projekt hervorgegangenen Überlegungen und Algorithmen zur Plausibilisierung von Messdaten zu systematisieren und weiterzuentwickeln, um diese auf zukünftige Messkampagnen leicht übertragbar und anwendbar zu machen. Die zu systematisierenden Methoden dienen der Korrektur oder dem Ausschluss fehlerhafter Messdaten. Ein besonderer Fokus wird im Rahmen dieser Arbeiten auf einer möglichen Korrektur der durch Temperatureffekte verfälschten Messwerte liegen. Ziel ist es, den Einfluss dieser und anderer – nicht erwarteter, jedoch im „OWEA“-Projekt nachgewiesener – Störgrößen zu quantifizieren und daraus eine Handlungsempfehlung zum Umgang mit den bereits aufgezeichneten Belastungen abzuleiten. Darüber hinaus soll für die an den Rotorblättern installierten Dehnungsmessungen ein weitgehend automatisierter Kalibrieralgorithmus entwickelt werden, um mögliche Veränderungen der Sensorgenauigkeit frühzeitig erkennen zu können. Ein solcher Algorithmus wäre auch für Systeme brauchbar, die die Lastmessung an den Rotorblättern als Eingangsgröße für die Betriebsführung und Regelung nutzen. Mit Hilfe der so erhaltenen, plausibilisierten und sich über mehrere Jahre erstreckenden Datensätze soll die Anwendbarkeit der Norm IEC 61400-13 (Wind turbine generator systems – Part 13: Measurement of mechanical loads) für den Offshore-Einsatz nachgewiesen werden oder es sollen Handlungsempfehlungen zu deren Ergänzung aufgezeigt werden.

Zusätzlich werden die instationären Lasten entlang der Rotorblätter bei turbulenter Anströmung innerhalb eines Offshore-Windparks durch die Weiterentwicklung einer numerischen Modellierungskette (LES-RANS) (AP A.2) und neuer Strukturmessungen am Rotorblatt analysiert (AP B.4).

Im dritten Teil (AP A.3) soll eine probabilistische Beschreibung der charakteristischen Extrem- und Ermüdungslasten entwickelt werden. Im Gegensatz zu deterministisch bestimmten Lasten wird durch dieses Vorgehen eine Auslegung der Offshore-Windenergieanlagen unter Berücksichtigung der Auftrittswahrscheinlichkeit der Lasten an Strukturkomponenten ermöglicht. Die im ersten Teil dieses Arbeitspaketes zu erarbeitenden Datensätze bieten aufgrund ihres großen Umfanges die einmalige Möglichkeit die bisher lediglich auf Simulationen beruhenden Annahmen der Richtlinie IEC 61400-3 Ed. 1 (Wind turbine generator systems – Part 3: Design requirements for offshore wind turbines) mit Hilfe der zur Verfügung stehenden Messdaten zu verifizieren.

B. Lastreduzierende Regelung und Lastmonitoring

Dieses Arbeitspaket umfasst die Entwicklung und Validierung neuer Betriebskonzepte, um die aero- und hydrodynamischen Belastungen an der Tragstruktur und der Rotor-Gondel-Einheit zu reduzieren (AP B.1). Hierzu dienen der gezielte Einsatz der Anlagenregelung bzw. eine aktive Beeinflussung des Anlagenbetriebs sowie integrierte Entwurfsverfahren. Die Untersuchung von spezifischen Regelungsansätzen für bestimmte Tragstrukturkonzepte wie Tripod und Monopile bilden einen weiteren Schwerpunkt, um deren wirtschaftlichen Einsatzbereich hinsichtlich Materialaufwand, größerer Wassertiefen und größerer Windenergieanlagen zu erweitern.

Zur Evaluation der eingesetzten Lastreduktionskonzepte und der Ermittlung der tatsächlichen Restlebensdauer können in Zukunft Lastmonitoring-Systeme eingesetzt werden, da Windenergieanlagen unterschiedlichen Typs an ihren individuellen Standorten häufig deutlich niedrigere Lasten erfahren, als in der Auslegung angenommen. Um durch Lastmonitoring eine belastbare Aussage zur Restlebensdauer treffen zu können, werden zwei komplementäre Methoden, basierend auf den statistischen Parametern der Standardsignale (AP B.2) bzw. den stochastischen Übertragungsverhalten von dynamischen, intermittenten Lastfluktuationen (AP B.3), weiterentwickelt.

Aufgrund der Komplexität des Bauteil- und Materialverhaltens der Rotorblätter ist es erforderlich spezielle Mess- und Analyseverfahren zur Überwachung der Lasten und des Zustands der Rotorblätter zu entwickeln, die außerdem die Voraussetzung für moderne Regelungsverfahren wie z.B. individuelle Blattwinkelverstellung darstellen (AP B.4).

C. Entwurfsbedingungen für zukünftige WEA-Generationen

Um die Auslegungs- und Betriebsrisiken zu reduzieren, werden auf Basis der Erkenntnisse aus „OWEA“ im Projekt „OWEA Loads“ standort-spezifische Entwurfsanforderungen für die zukünftige Anlagengeneration in der deutschen AWZ formuliert. Zunächst sollen daher im AP C.1 sowohl die Windbedingungen in größeren Höhen als auch die das Windprofil beeinflussenden atmosphärischen Größen (Lufttemperatur, Feuchte, turbulente Flüsse, etc.) vermessen werden. Ziel ist es, gerade für Höhen oberhalb des Messmastes der FINO-Plattform belastbare Aussagen bzgl. des dortigen Windprofils zu erarbeiten.

In AP C.2 sollen dann Modelle zur Beschreibung der Windgeschwindigkeit und Windrichtung auf Grundlage der in C.1 erhobenen Daten entwickelt und verifiziert werden. Das Vereisungsrisiko in der Nordsee für zukünftige Anlagengenerationen soll in AP C.2 durch die Auswertung langjähriger Re-Analysedaten untersucht werden. Die hierzu geplanten Arbeiten sollen schließlich zu einer verbesserten Prognose des insgesamt zu erwartenden Energieertrags sowie der kurzfristigen Prognose der elektrischen Leistung führen. Insbesondere die Beschreibung der Windrichtungsänderung mit der Höhe soll zu einer verbesserten Abschätzung der zu erwartenden Lasten an der Anlage führen.

Im AP C.3 sollen auf Grundlage der Messdaten der mechanischen Belastungen der Offshore-Windenergieanlagen Empfehlungen für einen vereinfachten und effektiveren Entwurfsprozess erarbeitet werden. Mit Hilfe der Messdaten soll der Frage nachgegangen werden, wie sehr sich die Ermüdungsbeanspruchung in Abhängigkeit von verschiedenen Kombinationen von Windgeschwindigkeit, Turbulenzklasse, Wellenhöhe und Wellenperiode ändert. Ein weiteres technisches Ziel ist es, aus den vorliegenden Messdaten einen Zusammenhang zwischen der notwendigen Modellierungstiefe der Umgebungsbedingungen und der daraus resultierenden Streuung der berechneten und gemessenen mechanischen Belastung auf unterschiedliche Bauteile der WEA zu entwickeln. Aufbauend auf diesen Ergebnissen sollen dann die in „OWEA“ validierten Computermodelle der WEA auf ihre praktische Anwendbarkeit und ggfs. Beschränkungen hin untersucht werden.

Projektpartner

Universität Stuttgart

SWE – Stuttgarter Lehrstuhl für Windenergie am Institut für Flugzeugbau (www.uni-stuttgart.de/windenergie)

Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (www.iag.uni-stuttgart.de)

Zentrum für Windenergieforschung (www.forwind.de)

Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Institut für Physik (www.uni-oldenburg.de/physik)

Senvion SE (www.senvion.com)

Adwen GmbH (www.adwenoffshore.com)

Publikationen des Projektes

Die Publikationsliste von RAVE OWEA loads finden Sie hier:
OWEA loads - SWE