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1Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
MDA-Forum Hannover Messe
“Reduzierung der kWh-Kosten erneuerbarer Energie durch Erhöhung der Zuverlässigkeit
von Windkraftgetrieben”
Hannover, 05.04.2011
2Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
Inhalt der Präsentation¬ Kennzahlen Hansen Transmissions Int. N.V.
¬ Einleitung
¬ Kostenreduzierung aus konstruktiver Sicht
¬ Aspekte der Zuverlässigkeit
¬ Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung bei Hansen � DORoTe
� 13.2 MW Prüfstand
� Dynamischer Lagersystemprüfstand
� Dynamische Simulation (MKS)
� Komponenten
¬ Zusammenfassung
3Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
Kennzahlen Hansen Transmissions¬ Hansen Transmissions Int. N.V.
� Produkte: Design, Fertigung und Service von Getrieben für Windkraftanlagen
� Hauptsitz: Kontich (Belgien)
� Produktionsstandorte in Belgien , Indien und China
� Kunden: Vestas, Gamesa, Siemens, Suzlon, Repower, Sinovel und andere
4Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
Kennzahlen Hansen Transmissions
5Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
Einleitung¬ Signifikante Veränderung des Marktes für Windenergie innerhalb der
letzten 2 Jahre:� Marktverschiebung hin zu einem Käufermarkt
� Hart umkämpfter chinesischer Markt
� Veränderung erfordert unter anderem:- Kostenreduzierung- Erhöhung der Zuverlässigkeit- Reduzierung Time to Market
6Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
Einleitung – Kostenmodell Windenergie¬ Kostenmodell einer Windkraftanlage:
� 50% der Anlagenkosten durch Turm und Rotor� ca. 20% der Anfangsinvestition durch Netzanbindung
und Fundament (Onshore)� ca. 2% Betriebs- und Wartungskosten
(Basis Onshore, eventuell höher bei Offshore)
Quelle: Deutsche Energie-Agentur (www.thema-energie.de), MAKE 10/2010
Kosten kWh = CAPEX + O&M
jährliche Stromproduktion x Laufzeit [Jahren]
7Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
Einleitung – Imageproblem Getriebe¬ Negatives Image von Getrieben für Windkraftanlagen, aufgrund von
Schäden in der Vergangenheit
¬ Untersuchungsergebnisse des EU-Projektes „Reliawind“ zeigen ein anderes Bild:� Getriebe außerhalb der Top 5 der unzuverlässigsten Komponenten (u.a. Pitch,
Yaw, Frequenzumrichter, Generator)
� Getriebeschäden resultieren allerdings in höherer Downtime,Nummer 5 bezüglich höchster Downtime
� Downtime durch Getriebeausfall jedoch signifikant niedriger verglichen mit z.B. Pitch, Frequenzumrichter, Generator
8Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
Einleitung – Imageproblem Getriebe
Quelle: EWEC 2010Anmerkung: Ergebnisse auf Basis von 31500 Downtime Events
9Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
Kostenreduzierung aus konstruktiver Sicht –Ein Blick auf zukünftige Getriebe
¬ Leistungssteigerung bei Onshore und Offshore Windkraftgetrieben
¬ Beispiel: Trend bei Offshore zu MMW-Getrieben:� 2 – 3.6 MW Turbinen aktuell im Markt in Serienproduktion
� Aktuelle Turbinenentwicklungen 5 – 6 MW
� Zukünftige Turbinen von 7 – 15 MW
¬ Herausforderungen:� Abmessungen und Gewicht MMW Getriebe
� Offshore Windparks weit vor der Küste
� Kosten pro kWh Windenergie im Vergleich
zu anderen Energieträgern
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Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
Kostenreduzierung aus konstruktiver Sicht –Konzeptuelle Möglichkeiten
Getriebevolumen
Leistungsdichte
Optimierung des Standart Getriebedesign durch Ausnutzung bekannter
technischer Möglichkeiten
Optimierung Getriebedesign durch Ausnutzung bekannter
technischer Lösungen z.B. auf Basis von FVA Ergebnissen
Getriebemasse
Neue Getriebekonzepte, anlagenoptimierte Lösung unter
Ausnutzung bekannter und Entwicklung neuer Lösungen
Getriebemasse
Getriebevolumen
Leistungsdichte
Konventionelles Getriebedesign auf Basis bestehender Normen
und Richtlinien
Getriebemasse
Getriebevolumen
LeistungsdichteVariante 2Variante 1
11Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
aktuelle Werkstoffe,aktuelles Komponentendesign,
aktuelle Randbedingungen (z.B. Normierung)
traditionelle Fertigungsstandorte
Kostenreduzierung aus konstruktiver Sicht –Ansatzpunkte in Design und Fertigung
Neue Getriebekonzepte: „Low Speed Hybrid“ oder
„Vollintegriert“, Fertigung von MMW Komponenten
mit konventionellen Maschinen, Vermeidung hochkomplexer
Speziallösungen
Ausgangssituation
andere Werkstoffe,Standardisierung von
Komponenten, Fertigung in Low-Cost Ländern =
Design für globale Fertigung, Reduzierung überflüssiger Sicherheiten (z.B. Wellen)
Erhöhung der Effizienz im Antriebsstrang am Beispiel Windkraftgetriebe: niedrigere Rauheiten, optimierte Schmierung
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Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
Kostenreduzierung aus konstruktiver Sicht –Designlösungen zur Unterstützung von O&M
¬ Ziel: Vermeidung (Begrenzung) von Downtime der Turbine und Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit
¬ Einsatz von CMS zur frühzeitigen Erkennung von Schäden und Planung von Wartungsaktivitäten
¬ Getriebedesign mit Austauschmöglichkeiten im Feld:� Beispiel: 3te Stufe konventioneller
PHH oder PPH Getriebe, Ritzel und Lager in der Turbine austauschbar – daher kein Getriebeaustausch notwendig
13Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
¬ “Design for Reliability”(Zuverlässigkeit ist die Basis einer jeden Auslegung) � Failure Mode Avoidance = essentieller Bestandteil des Designprozesses
� Langjährige Erfahrung notwendig – Analyse des Einsatzverhaltens im Feld(incl. statistische Untersuchung, Beispiel Hansen: weit über 20.000 Windkraftgetriebe im Feld im Einsatz)
� Reduzierung Downtime = Kostenreduzierung
¬ Technologische und konstruktive Neuerungen erfordern eine ausgiebige experimentelle Validierung
¬ Randbedingungen:� Alle Getriebekonzepte benötigen eine exakte Kenntnis der auftretenden
Belastungen
� Grenzen der Auslegung bei erhöhter Leistungsdichte müssen bekannt sein
� Interaktion des gesamten Antriebsstranges muss bekannt sein
Aspekte zur Zuverlässigkeit
14Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
¬ DORoTe = Design Operational Robustness Test� Verschnellter Lebensdauertest von Getriebe und allen Getriebestrukturen
� Lastfälle entsprechen den Bedingungen der realen Windturbine(z.B. typischen Time Series von Kunden für die Getriebeauslegung)
� Zeitraffung im Test: 2 Jahre Feldeinsatz werden in 3 Monaten abgebildet
¬ Hochmodernes CMS-System zur konstanten Überwachung
¬ Komplette Demontage, Inspektion und Dokumentation aller Bauteilenach Testende, vergleichbar einer ausführlichen Prototype Validierungnach der Felderprobung
¬ Zielsetzungen:� Frühzeitige Entdeckung möglicher Fehler während der Prototypen Fase, vor
der Felderprobung.
� Aufdeckung unerwarteter Fehler und Fehlermodes, durch Integration von Low-load Bedingungen und transienten Belastungsfällen (z.B. Notstop)
Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung: DORoTe
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Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung: DORoTe
wind rotor drive train generator electricitygrid
tow
er
sea waves
Controlsystem
Umsetzung der realen Belastungen in ein
Prüfstandsprogramm
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Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
¬ Dynamischer Getriebeprüfstand im Back-to-back Verfahren
¬ Nominale Leistung: 13.2 MW
¬ Maximale Leistung: 16.8 MW
¬ HALT (Highly Accelerated Lifetime Testing)
¬ Repräsentative Lastbedingungen:� Dynamische Lastfälle: Start-Stop, variable Last bei nominalem Betrieb
� Notstopp Situationen
� Stationäre Lastbedingen
¬ Drehzahl: bis 2600 U/min
¬ Investition: ~ 10 Millionen €
¬ Größe:� Fundament: 35 m x 10 m
� 1000 t Stahl & 1000 m³ Beton
Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung: 13.2 MW Prüfstand
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Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
¬ Weltweit einzigartiger Lagerprüfstand
¬ Versuchsanordnung entspricht dem Design der Lagerlösung im Windkraftgetriebe:� Lagergröße
� Lageranordnung
� Belastungen aus Windkraftanlage
¬ Spezielles Prüfstandsdesign ermöglicht Abbildung von:� Verformung aus Wellen / Gehäuse
� Echte Lastverteilung im Lager
� Reale Schmierbedingungen
¬ Versuche basieren auf DORoTe
¬ Ziel: robuste Lageranordnungen
Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung: Lagersytemprüfstand
18Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
¬ Komplexe Mehrkörpermodelle (MKS-Modelle) von Windkraftgetrieben
¬ MKS-Modell = unbegrenzte Anzahl von Sensoren im Vergleich zu limitierter Sensoranzahl am realen Getriebe
¬ Validierung der MKS-Modelle in kontrollierter Prüfstandsumgebung
¬ Bestandteil der Produktentwicklung mittels „Virtual Drivetrain“
¬ Zielsetzungen:� Vorhersage dynamischer Phänomene
während des Designprozesses
� Globale und lokale Resonanzanalyse
� Analyse der Wechselwirkungen (Getriebe in Turbine) in Zusammenarbeitmit dem Turbinenhersteller
� Reduzierung Time-to-Market
Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung: MKS-Modelle
19Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
¬ Beispiel Verzahnungen:� FZG- und Pulsatorprüfstände
� Prüfung der Zahnradtragfähigkeit an repräsentativen Prüfverzahnungen
� Validierung von Schmierstoffen (z.B. Graufleckentragfähigkeit)
� Beurteilung neuer Lieferanten (Werkstoffe)
Methoden und Technologien zur Zuverlässigkeitserhöhung: Komponenten
20Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
Zusammenfassung¬ Getriebe sind ein essentieller Bestandteil heutiger und zukünftiger
kosteneffizienter Windkraftanlagen
¬ Die Zuverlässigkeit von Getrieben wird durch F&E weiter ansteigen –Downtime wird deutlich sinken
¬ Methoden und Technologien sind in der Lage Belastungen besser zuquantifizieren und werden beitragen Getriebe kleiner, leichter und billiger zu machen
¬ Kleinere und leichtere Getriebe ermöglichen insgesamt kompaktere Antriebsstränge in Windkraftanlagen. Hierdurch können auch Türme, Fundamente und notwendige logistische Maschinen kleiner und damit auch deren Kosten reduziert werden
¬ Hierdurch wird der kWh Preis der Windenergie gesenkt.
21Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
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Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
22Dipl.-Ing. Jörg Litzba (G&GC, PT)
Hannover 05.04.2011 – MDA-Forum
Reduzierung kWh-Kosten erneuerbarer Energie / Erhöhung Zuverlässigkeit von Windkraftgetrieben
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The information, statements and opinions contained in this presentation do not constitute or form part of, and should not be construed as, an offer, solicitation or invitation to subscribe for, underwrite or otherwise acquire, any securities of Hansen Transmissions International NV (the “Hansen” or “the Company”) or any member of its group nor should it or any part of it form the basis of, or be relied on in connection with, any contract to purchase or subscribe for any securities of the Company or any member of its group, nor shall it or any part of it form the basis of or be relied on in connection with any contract or commitment whatsoever.
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